6WXGLMQtR ERU Fakulta strojní 6WXGLMQtS URJUDP N2301 ... · eské vysoké uení technické v Praze Fakulta strojní Ústav materiálového inženýrství Prohlášení Prohlašuji,

České vysoké učení technické v Praze

Fakulta strojní

Ústav materiálového inženýrství

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE

FAKULTA STROJNÍ

ÚSTAV MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ

Vliv technologie výroby na strukturu vybrané Al slitiny

Influence of manufacturing technology on selected Al alloy

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Studijní program: N2301 – Strojní inženýrství

Studijní obor: 3911T035 – Výrobní a materiálové inženýrství

Vedoucí práce: Prof. Ing. Františka Pešlová, Ph.D.

David Altera


Fakulta strojní


Prohlášení

Prohlašuji, že jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatně a použil

jsem pouze podklady uvedené v přiloženém seznamu.

Z důvodu zachování firemního tajemství odpírám udělit souhlas s užitím

tohoto školního díla ve smyslu § 60 zákona číslo 121/2000 Sb., o právu

autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých

zákonů (autorský zákon).

V Praze dne 8.1.2015 ………………..

podpis


Fakulta strojní


ABSTRAKT

Diplomová práce se zabývá plátovanými plechy hliníkové slitiny EN AW-

2024 v závislosti na různých dobách výdrže při vysokých teplotách během

tepelného zpracování a jejími vlivy na materiálové vlastnosti.

V první části diplomové práce v literární rešerši je zpracována teoretická část

zabývající se jak čistým hliníkem, tak jeho slitinami a tepelným zpracováním

vybraných slitin.

Řešení experimentů bylo prováděné na normalizovaných zkušebních

plochých tyčích po statické zkoušce v tahu, z kterých byly zpracované

materiálové vlastnosti, studium lomových ploch a zhodnocení chemického

složení v jednotlivých lokalitách slitiny, vzhledem na výskyt intermediárních fází.

Vysoká škola: ČVUT v Praze

Ústav: 12132

Vedoucí ústavu: Prof. RNDr. Petr Špatenka, CSc.

Název diplomové práce: Vliv technologie výroby na strukturu vybrané

Al slitiny

Školní rok vyhotovení: 2014/2015

Jméno autora: Bc. David Altera

Vedoucí bakalářské práce: Prof. Ing. Františka Pešlová Ph.D.

Rozsah: Zpráva – stran 75; obrázky a přílohy – stran 4

Klíčová slova: Al slitina 2024 – plátované plechy, struktura,

mikrostruktura, mikrotvrdost, intermediární

fáze, metalografie, fraktografie, bodová

analýza


Fakulta strojní


ABSTRACT

This thesis deals with clad sheets of aluminum alloy EN-AW 2024 in relation

with different endurance times during heat treatment and its effects on material

properties.

In the introduction there is a literature review dealing with pure aluminum, its

alloys and heat treatment of selected alloys.

The experiments were carried out on standard flat test bars for static tensile

test, from which were processed material properties. Also studies of fractured

surfaces and evaluation of the chemical composition of alloys in different

specific locations due to the occurrence of intermediate phases.

University: CTU in Prague

Institute: 12132

Head of the institute: Prof. RNDr. Petr Špatenka, CSc.

Thesis title: Influence of manufacturing technology on

selected Al alloy

The school year of issue: 2014/2015

Author: Bc. David Altera

Thesis supervisor: Prof. Ing. Františka Pešlová Ph.D.

Extent: Report – pages 75; pictures, addendum –

pages 4

Keywords: Al alloy 2024 - clad plates, structure,

microstructure, microhardness, intermediate

phase, metallography, fractography, spot

analysis


Fakulta strojní


Poděkování

Děkuji prof. Ing. Františce Pešlové Ph.D. za vedení diplomové práce, její

odbornou pomoc a připomínky k vypracování diplomové práce. Také děkuji

pracovníkům UMI FS ČVUT.


Fakulta strojní


Obsah

1. Úvod a cíle diplomové práce ....................................................................... 8

2. Teoretická část ............................................................................................ 9

2.1 Vlastnosti čistého hliníku ..................................................................... 10

2.2 Výroba hliníku ..................................................................................... 11

2.3 Značení hliníku a jeho slitin ................................................................. 13

2.4 Vliv prvků na mechanické a fyzikální vlastnosti ................................... 15

2.5 Hliníkové slitiny ................................................................................... 17

2.6 Rozdělení slitin hliníku podle rovnovážného diagramu ....................... 18

2.7 Tepelné zpracování hliníku a jeho slitin .............................................. 23

2.8 Koroze a odolnost proti korozi ............................................................. 26

2.9 Koroze hliníku a jeho slitin .................................................................. 27

2.10 Výroba plátovaných plechů ze slitiny Al 2024 .................................. 29

2.11 Difúze............................................................................................... 31

2.12 Elektronová mikroskopie .................................................................. 34

3. Experimentální část .................................................................................. 37

3.1 Statická zkouška v tahu ...................................................................... 41

3.2 Zkouška mikrotvrdosti podle Vickerse ................................................. 46

3.3 Hodnocení mikrostruktury ................................................................... 52

4. Závěr a doporučení ................................................................................... 65

5. Použitá literatura ....................................................................................... 68

6. Použité zkratky a symboly ......................................................................... 71

Seznam příloh .............................................................................................. 72

Seznam obrázků ........................................................................................... 72

Seznam tabulek ............................................................................................ 74


Fakulta strojní


8

1. Úvod a cíle diplomové práce

Tato diplomová práce navazuje na bakalářskou práci s názvem „Plátované

plechy z Al slitiny 2024 s obsahem mědi“. V bakalářské práci jsem se zabýval

změnou korozní odolnosti plechů ze slitiny Al 2024 (slitina typu AlCu4Mg1)

opatřenou oboustranně nanesenou plátovací vrstvou ze slitiny Al 1050 (hliník o

čistotě 99,5%) vlivem působení tepelného zpracování.

Plátovaná vrstva sloužila jako bariérová protikorozní ochrana. Výsledky

bakalářské práce prokázaly, že schopnost protikorozní ochrany je negativně

ovlivněna vlivem působení difuze mědi ze slitiny Al 2024 do plátovací vrstvy,

která je urychlena tepelným zpracováním. Hlavními faktory ovlivňující difuzi

mědi byla teplota a doba výdrže na teplotě. Pro rozpouštěcí žíhání hliníkových

slitin se používá teplota v rozmezí 470 až 500°C.

Tato navazující diplomová práce se zabývá vlivem tepelného zpracování na

mechanické vlastnosti hliníkové slitiny na výskyt nežádoucích fází na základě

studia mikrostruktury. Mechanické vlastnosti a jejich změna bude posuzována

pomocí výsledků z tahové zkoušky a zkoušky mikrotvrdosti. Nežádoucí fáze

budou hodnoceny na již přetržených vzorcích studiem lomových ploch a

chemickou analýzou za použití elektronového mikroskopu.

Tato diplomová práce vznikla na základě spolupráce se společností

LATECOERE Czech Republic s.r.o.

Cíle diplomové práce:

Cílem diplomové práce je posouzení vlivu technologie výroby plátovaných

plechů ze slitiny Al 2024 na strukturní a materiálové vlastnosti plechu.

Pro splnění cílů diplomové práce budou studované dva druhy plátovaných

plechů:

plech o tloušťce 1,2 mm s min. velikostí plátované vrstvy nejméně 48

µm


Fakulta strojní


9

plech o tloušťce 2,0 mm s min. velikostí plátované vrstvy nejméně 40

µm

Z každé tloušťky plechu budou připravené normalizované vzorky na

statickou zkoušku v tahu bez tepelného zpracování a po tepelném zpracování.

2. Teoretická část

Hliník je stříbrošedým měkký kov a jde o nejvíce zastoupený kov v zemské

kůře (7,47 hm. %). Po kyslíku a křemíku je hned třetím nejrozšířenějším

prvkem. Výroba hliníku v průmyslovém měřítku byla zahájena až v roce 1890,

ačkoliv byl objeven již v roce 1825 Hansem Christianem Orstedem. Objem

výroby byl ve srovnání s dnešním pouhým zlomkem, její rozvoj byl zpočátku

brzděn nejen náročností výroby, ale také její finanční nákladností. Například

v roce 1890 byla produkce primárního hliníku 5 700 t/rok, hranici produkce vyšší

než 10 milionů tun ročně se podařilo dotáhnout v roce 1973. Nyní během roku

2013 bylo dle statistik vyprodukováno celkem 106,5 milionů tun hliníku. Lze říci,

že prudký vzrůst v produkce hliníku nastal v 90. letech a neustále stoupá.

[1,2,3,4,5]

Využití hliníku v různých odvětvích v roce 2002 ukazuje z tab. 2.1. Největší

spotřeba je v dopravě, převážně v leteckém průmyslu, kde jsou používány

převážně slitiny AlMgSiCu, AlMgSc, AlMgLi a AlCuMg2. Například letadlo A340

vážící asi 90 tun je tvořeno ze 2/3 slitinami Al. [2]

Tab. 2.1 Celosvětová spotřeba hliníku a jeho slitin v jednotlivých odvětvích

v roce 2002. [2]

Odvětví Spotřeba [%]

Doprava (letecká, lodní, železniční, automobilová) 59,1

Stavebnictví 18,4

Strojírenství 10,3

Elektrotechnický průmysl 7,2

Potravinářský průmysl 4,3

Ostatní 0,7


Fakulta strojní


10

2.1 Vlastnosti čistého hliníku

Čistý hliník má stříbrošedou barvu v místě řezu, je specifický svou nízkou

hustotou, výbornou elektrickou a tepelnou vodivostí, dobrou kujností, tažností a

odolností vůči korozi díky vzniku 5 – 20 nm silné oxidické vrstvě Al2O3. Obsah

v zemské kůře dosahuje 7,47 hm. %. V čisté formě jej v přírodě nenajdeme,

objevuje se asi ve 250 sloučeninách v různých minerálech. Mezi minerál

obsahující největší podíl hliníku patří s obsahem Al 52,93 hm.% korund (Al2O3).

Dále pak diaspor, boehmit, spinel, gibbsit, kyanit, andalusit, kaolinit, alunit a

nefelín. [1,2,6]

Nejvýznamnější rudou pro těžbu na výrobu hliníku je bauxit. Ten se skládá

z 52 % Al2O3, 27 % Fe2O3 a 20,4 % H2O. Slovo bauxit neodpovídá

specifickému minerálu, nýbrž je definován jako hornina obsahující z hydroxidů

hliníku zejména Al2O3·3H2O a také příměsi ve formě silikátů, jílů, usazenin a

hydroxidů železa. Světová těžba bauxitu dosáhla v roce 2012 přibližně hodnoty

258 milionů tun a v roce 2013 přibližně 259 milionů tun. Cena bauxitu

metalurgické kvality v srpnu 2013 byla 368 $/t. Ověřené světové zásoby činí asi

28 Gt, ale odhadují se na rozmezí 55 až 75 Gt. Ačkoliv odhadnout množství

zásob není snadné, například v roce 1970 byly odhadovány celosvětové zásoby

mědi na 280 Mt, v roce 2012 bylo odhadnuto asi 680 Mt i přesto, že mezitím

bylo dalších 400 Mt vytěženo. [2,6,7,8]

Díky dobrému poměru mechanických vlastností vůči hustotě ρ = 2,702 g/cm3

má hliník rozsáhlé spektrum použití. Surový hliník o čistotě 99,5 % se získává

elektrolytickou cestou. Pro zvláštní aplikace, lze elektrolytickou, nebo

chemickou rafinací získat hliník o čistotě až 99,999 %. Tento vysoce čistý hliník

vykazuje vlastnosti Rm = 50 MPa, Rp0,2 = 22 MPa a A5 = 60 %. Další nečistoty

jako Fe, Si, Cu, Mn, Zn a Ti zvyšují pevnost hliníku za cenu snižování plasticity.

Pro porovnání vlastnosti 99% Al jsou Rm = 80 MPa, Rp0,2 = 30 MPa a A5 = 35 %.

Čistý hliník se vyznačuje vysokou elektrickou vodivostí a vzhledem k jeho

nepříliš dobrým mechanickým vlastnostem se využívá převážně

v elektrotechnice. Další vlastnosti hliníku jsou v tabulce 2.2. [2,4]


Fakulta strojní


11

Tab. 2.2 Fyzikální vlastnosti čistého hliníku. [6]

Český název Hliník

Mezinárodní název Aluminium

Chemická značka Al

Protonové číslo 13

Relativní atomová hmotnost 26,981539

Perioda 3

Skupina III.A

Zařazení Ostatní kovy

Rok objevu 1825

Teplota tání [°C] 660,37

Teplota varu [°C] 2519

Hustota při 20°C [g/cm3] 2,702

Hustota při teplotě tání [g/cm3] 2,375

Tepelná vodivost [W/m·K] 237

Elektrická vodivost [S/m] 37,7·106

Modul pružnosti v tahu [GPa] 70

2.2 Výroba hliníku

V současné době je celosvětově nejrozšířenější metodou výroby hliníku

Bayerova metoda. Jde o proces vynalezený rakouským chemikem Karlem

Josefem Bayerem v 90. letech 19. století.

Vstupní surovinou je kvalitní bauxit s nízkým obsahem oxidu křemičitého (2-

5 %). Základem procesu jsou dva Bayerovo objevy, První byl objev

samovolného rozkladu roztoků hlinitanu sodného a vylučování hydroxidu

hlinitého za přítomnosti katalyzátoru čerstvě vysráženého hydroxidu hlinitého

Al(OH)3. Druhý objev spočíval v tom, že oxid hlinitý, který je obsažen v bauxitu,

je možné tlakově loužit působením hydroxidu sodného za vzniku hlinitanu

sodného. Schéma metody je uvedeno na obr. 2.1. [2,9]


Fakulta strojní


12

Touto metodou lze z 1 tuny bauxitu vyrobit 0,5 tuny aluminy, neboli oxidu

hlinitého. Z aluminy získáme pomocí elektrolýzy až 50 % čistého hliníku. Tedy

pro výrobu 1 tuny Al je za potřebí 4 tun bauxitu. [9]

Bayerův postup je uzavřený cyklus založený na chemické reakci:

Al2O3 + 2 NaOH ↔ 2 NaAlO2 + H2O, (2.1)

Obr. 2.1 Schéma Bayerovi metody výroby oxidu hlinitého [2]

Jako druhá nejvíce rozšířená metoda výroby oxidu hlinitého figuruje spékací

metoda. Ta patří k termickému zásaditému způsobu výroby a používá se při

zpracování bauxitů s vyšším obsahem SiO2, který není vhodný pro Bayerovu


Fakulta strojní


13

metodu. Podstatou metody je spékání bauxitů se sodou a vápencem. Takto

vznikne spečenec, který je dobře rozpustný ve vodě. Vyloužením spečence

vznikne hlinitanový roztok, podobně jako u Bayerovy metody. [2]

Následnou elektrolýzou se Al2O3 se získá hliník běžně o čistotě 99,8 %,

avšak lze získat i čistotu 99,999 až 99,99999 % Nejběžnějšími nečistotami jsou

železo a křemík, dále pak hořčík, mangan, zinek, vanad a chrom. [10]

2.3 Značení hliníku a jeho slitin

Mezi nejběžněji používané způsoby značení hliníku a jeho slitin u nás patří:

a) Označování hliníku a slitin hliníku pro tváření podle ČSN EN 573-1

až 3

Tyto tři normy platí pro tvářené výrobky a ingoty určené ke tváření. Normy

stanoví označování písmeny EN AW, po kterých následují čtyři číslice. Za

číselné značení lze doplnit i chemické označení, např. EN AW-5052 [AlMg2.5].

Příklad číselného značení je v tabulce 2.3.

Tabulka 2.3 Číselné značení dle ČSN EN 573-1 až 3. [2]

Pořadové místo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Znak E N A W - 2 0 2 4

Na prvním místě v označování je předpona EN následovaná mezerou,

písmeno A značí hliník a následující písmeno W určuje tvářené výrobky,

spojovací čárka a čtyři číslice označující chemické složení. První číslo udává

řadu slitin podle hlavních slitinových prvků. Skupiny slitin jsou uvedeny

v tabulce 2.4. [2,6]

Tabulka 2.4 Řady slitin Al dle hlavních slitinových prvků. [2]

Řada Hlavní slitinový prvek Řada Hlavní slitinový prvek

1000 Al minimálně 99,00% a

více 5000 slitina AlMg

2000 slitina AlCu 6000 slitina AlMgSi

3000 slitina AlMn 7000 slitina AlZn

4000 slitina AlSi 8000 slitina Al s různými prvky


Fakulta strojní


14

b) Označování slitin hliníku na odlitky podle ČSN EN 1706

Tato norma je platná pro odlitky a stanoví označování písmeny EN AC

s následujícími pěti číslicemi. Číselné označení lze také doplnit o chemické

označení, např. EN AC-21000 [AlCu4MgTi]. Příklad číselného značení je

uveden v tabulce 2.5.

Tabulka 2.5 Číselné značení dle ČSN EN 1706.[2]

Pořadové místo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Znak E N A C - 2 1 0 0 0

Na prvním místě značení je předpona EN, následuje mezera, písmeno A

značí hliník, písmeno C určuje odlitky, spojovací čárka a pět číslic označující

chemické složení. První z pěti číslic udává skupinu slitin dle hlavních slitinových

prvků stejně, jako u slitin pro tvářen. [2,6]

c) Označování hliníku a slitin hliníku dle ČSN

V ČSN normách jsou jednotlivé typy hliníku a jeho slitin označovány vždy

samostatnou normou ČSN a šestimístným číslem.

Příklad označení:

třída norem 42 udává hutnictví

skupina norem ve třídě norem 40-45 uvádí, že se jedná o Al, nebo jeho

slitiny na odlitky, nebo pro tvářené výrobky

číselné značení lze opět doplnit chemickým označením [6]


Fakulta strojní


15

2.4 Vliv prvků na mechanické a fyzikální vlastnosti

Bor má schopnost zjemňovat strukturu a u technicky čistého hliníku zvyšuje

elektrickou vodivost v důsledku precipitace V, Ti, Cr, a Mo z tuhého roztoku α.

Bor také zvyšuje schopnost hliníku zachytávat neutrony. [2,6]

Bismut v kombinaci s hliníkem slouží ke zlepšení mechanické

obrobitelnosti. [2,6]

Antimon zvyšuje odolnost vůči korozi, a to hlavně v mořské vodě. U slitin Al

– Mg potlačuje náchylnost ke vzniku trhlin za tepla. Do slitin pro výrobu ložisek

se přidává v množství 4 – 6 %.[2,6]

Chrom zvyšuje prokalitelnost vytvrditelných slitin. U slitin typu Al – Mg

snižuje náchylnost k růstu zrn. U slitin typu Al – Mg – Si a Al – Mg – Zn ztěžuje

proces rekrystalizace. [2,6]

Měď je dodávána pro zvýšení pevnosti (proces vytvrzování). U technických

slitin se nejčastěji dodává společně s Mg. Negativní vlastností mědi je výrazné

snížení korozní odolnosti. [2,6]

Kobalt dokáže u některých slitin Al – Si s přítomností Fe zvýšit pevnostní i

plastické vlastnosti, kterých je dosaženo transformací jehlicovité β fáze bohaté

na Fe na kulovitou morfologii. [2,6]

Indium v malém množství (0,05 – 0,2 %) u slitin Al – Cu redukuje proces

stárnutí při pokojové teplotě a zrychluje proces stárnutí za tepla. Stejný kladný

vliv byl zjištěn i u slitin Al – Cd při množství In 0,03 - 0,5 %.[2,6]

Železo je nejčastější nežádoucí nečistotou v hliníku. Jeho rozpustnost

v tuhém stavu je velmi nízká (okolo 0,04 %), proto se vyskytuje ve struktuře

jako intermetalická sloučenina s Al, nebo v kombinaci s jinými prvky. U slitin

typu Al – Cu je například tvořena intermetalická fáze Al7FeCu2. Dochází

k ochuzení tuhého roztoku α o měď, jak je vidět na obrázku 2.2, čímž dochází

ke snížení pevnostních vlastností. V případě disperzně vyloučených částic

bohatých na Fe blokuje růst zrna. U slitin typu Al – Cu – Ni přítomnost Fe

zvyšuje pevnostní vlastnosti za zvýšených teplot a creepu. [2,6]


Fakulta strojní


16

Obr. 2.2 Snížení obsahu mědi vlivem působení železa [2]

Olovo se dodává pro zlepšení mechanické obrobitelnosti. U slitin typu Al –

Cu – Mg může být příčinou vzniku trhlin za tepla důsledkem segregace

v průběhu krystalizace. [2,6]

Lithium se přidává např. u slitin typu Al – Cu – Mg – Li, kde díky přítomnosti

koherentních precipitátů LiAl3 jsou vysoké pevnostní vlastnosti i modul E.

Lithium je díky své nízké hustotě používáno pro superlehké slitiny. [2,6]

Hořčík je hlavní legující prvek u Al slitin řady 5xxx. Pokud dojde k vyloučení

precipitátů typu Mg5Al3, nebo Mg5Al8 na hranicích zrn, hrozí, že slitina se stane

náchylnou k interkrystalické korozi a interkystalickému porušení. Dále je běžně

používán jako legující prvek pro Al slitiny řady 2xxx (Al – Cu – Mg) a 6xxx (Al –

Mg – Si), kde působí pozitivně na zvýšení pevnostních vlastností. [2,6]

Mangan je hlavním legujícím prvkem Al slitin řady 3xxx. Zvyšuje pevnostní

vlastnosti, teploty rekrystalizace a zjemňuje zrno. V případě jeho vyloučení ve

formě disperzních precipitátů také blokuje růst zrn. Dále zvyšuje citlivost ke

kalení a potlačuje vyloučení Fe v destičkovitém tvaru a vytvoření intermetalické

fáze (Fe,Mn)Al6. [2,6]


Fakulta strojní


17

Stříbro jako legující prvek u Al slitiny výrazně zlepšuje odolnost proti korozi

za napětí, a to převážně u slitiny Al – Zn – Mg. Zároveň při obsahu 0,1 – 0,6 %

zvyšuje pevnostní vlastnosti. [2,6]

Nikl je u slitin Al – Cu a Al – Si dodáván ke zvýšení pevnostních vlastností

za vyšších teplot. Má schopnost snižovat koeficient teplotní roztažnosti a

zlepšuje odolnost proti korozi. Díky své vysoké schopnosti absorbovat neutrony

nachází využití u slitin pro jadernou energetiku. [2,6]

Křemík je hlavním legujícím prvkem pro slévárenské slitiny Al – Si. Slitiny

řady 6xxx jsou díky fázi Mg2Si schopny vytvrzení. [2,6]

Cín je hlavní legurou pro ložiskové slitiny Al – Sn. Jako legující prvek ve

velmi malém množství (0,05 %) zvyšuje u slitin typu Al – Cu citlivost na stárnutí

za vyšších teplot, čímž pomáhá k urychlení procesu umělého stárnutí a zvyšuje

pevnostní vlastnosti. Pří obsahu vyšším, než je 0,05 % však působí negativně

náchylností na vznik trhlin za tepla u slitin typu Al – Cu a snižuje korozní

odolnost. [2,6]

Zinek je hlaví legurou pro tepelně zpracovatelně slitiny řady 7xxx. Společně

s hořčíkem vytváří intermetalickou fázi MgZn2. [2,6]

Zirkon se přidává v množství 0,1 – 0,3 % a vytváří jemné precipitáty

blokující procesy zotavení a rekrystalizace. U slitin typu Al – Zn – Mg se přidává

ke zjemnění struktury u odlitků. [2,6]

2.5 Hliníkové slitiny

První slitina hliníku vhodná pro strojírenské účely byla vyvinuta v roce 1906

na bázi Al-Cu-Mg-Mn a stala se základem pro vytvrditelné slitiny. Dnes jsou

nejrozšířenějšími slitinami slitiny typu Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg-Si, Al-

Zn-Mg-Cu a Al-Li-X (kde X = Cu, Mg, Zr, Sc). Mezi velice perspektivní skupinu

hliníkových slitin patří takzvané superlehké slitiny. U těchto slitin je jako

přídavný prvek volen ten, jehož hustota je menší, než hustota hliníku. Jedná se

o slitiny Al-Mg, Al-Mg-Li, a Al-Li-X. [4]


Fakulta strojní


18

Všechny slitiny hliníku můžeme rozdělit do 4 skupin:

tvářené slitiny hliníku určené pro polotovary (desky, trubky, válcované

profily) k dalším tvářecím operacím. Tako skupina se ještě dělí na:

o slitiny tepelné nezpracovatelné (nevytvrditelné)

o slitiny tepelně zpracovatelné (vytvrditelné)

slévárenské slitiny hliníku určené slévárnám

pěnový hliník a jeho slitiny

slitiny hliníku pro práškovou metalurgii [4]

2.6 Rozdělení slitin hliníku podle rovnovážného diagramu

Slitiny hliníku můžeme rozdělit podle rovnovážného diagramu (obr. 2.3) na

slitiny:

vhodné k tváření, které se dále dělí na:

o slitiny tepelné nevytvrditelné

o slitiny tepelně vytvrditelné

slévárenské slitiny vhodné ke slévání.

1 - slévárenské slitiny

2 - slitiny určené k tváření

3 - precipitačně

vytvrditelné slitiny

4 - precipitačně

nevytvrditelné slitiny

Obr. 2.3 Rozdělení slitiny hliníku podle rovnovážného diagramu [2]

Mechanické vlastnosti nejpoužívanějších slitin hliníku pro tváření jsou patrné

z tabulky 2.6.


Fakulta strojní


19

Tabulka 2.6 Nejvýznamnější tvářené slitiny Al, jejich typické zpracování a

vlastnosti. [11]

Typ slitiny Stav Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A10 [%]

AlMn1

měkký - 110 až 150 20

polotvrdý 100 až 130 150 až 170 6 až 10

tvrdý 130 až 180 190 až 220 3 až 5

AlMg5 měkký - 250 až 280 16

tvrdý 300 340 3

AlMg1Si1

lisovaný za tepla 40 100 až 150 16

uměle stárnutý a

rekrystalizovaný 220 300 8

AlCu4Mg1

lisovaný za tepla 150 300 10

přirozeně stárnutý a

rekrystalizovaný 280 až 340 430 10


nerekrystalizovaný až 500 až 600 8

AlZn6Mg2Cu

lisovaný za tepla 180 330 9

uměle stárnutý a

rekrystalizovaný 440 540 5


nerekrystalizovaný až 600 až 720 5

AlCu3Li2MgZr uměle stárnutý 590 až 625 590 až 655 5

a) Nevytvrditelné slitiny hliníku

Do této skupiny se zařazují slitiny na bázi Al – Mn a Al – Mg. Skupina slitin

Al – Mg lze vytvrzovat, ale pro precipitační efekt tak malý, že z ekonomického

hlediska se jeví jako nevýhodný, řadíme tuto skupinu do nevytvrditelných slitin.

Tyto slitiny se vyznačují velmi dobrou korozní odolností, ale také nízkou

pevností. [11,14]

Slitiny Al – Mn

Z této slitiny našla průmyslové využití pouze slitina AlMn1, z které se vyrábí

plechy a pásy s dobrou tvařitelností, korozní odolností a svařitelností. Hlavní

oblast použit je potravinářský a chemický průmysl, kde se z této slitiny vyrábí

různé nádoby, kryty apod. Ve stavu tvrdém je Rm = 200 MPa, ale tažnosti se

dosahuje pouze A10 = 4 %. [11,14]


Fakulta strojní


20

Slitiny Al – Mg

Slitiny s obsahem hořčíku 2, 3, 5 a 6 %. Při obsahu hořčíku větším než 6 %

mají slitiny již sklon k interkrystalické korozi a interkrystalickému porušení. Tyto

slitiny se dobře leští, eloxují, svařují a jejich uplatnění je hlavně v chemickém a

potravinářském průmyslu. Z plechů ze slitiny AlMg2 se vyrábí např. nápojové

plechovky. Slitina AlMg5 dokonce již splňuje požadavky pro použití na karoserie

automobilů. Slitina AlMg4,5Mn1 má velmi dobrou korozní odolnost, a to i v

mořské vodě, proto se používá při výrobě lodí. [11,14]

b) Vytvrditelné slitiny hliníku

Vytvrditelné slitiny hliníku se dají rozdělit podle pevnostních charakteristik do

dvou skupin na:

slitiny s nízkou či střední pevností:

o Al – Mg – Si

U nás se používají dva typy těchto slitin. S obsahem Mg a Si 0,5 %, nebo 1

%. Obě slitiny vynikají dobrou tvařitelností za tepla, jsou snadno svařitelné a

dobře se eloxují. Nejsou příliš citlivé na rychlost ochlazování, proto je možné je

při tepelném zpracování ochlazovat z teploty rozpouštěcího žíhání na vzduchu.

Pro slitiny s obsahem 0,5 % Mg a Si se aplikujeme pouze přirozené stárnutí.

Pro slitiny s obsahem 1 % těchto prvků lze použít stárnout i uměle. [11,14]

o Al – Zn – Mg

Vlastnosti slitiny AlZn4Mg1 jsou podobné, jako slitiny AlMgSi. Patří sem tedy

dobrá svařitelnost, eloxovatelnost, tvařitelnost za tepla a malá citlivost na

rychlost ochlazování. [11,14]

Díky velmi dobré tvařitelnosti za tepla obou typů slitin se používají k výrobě

tvarově složitých výlisků sloužících např. jako chladící žebra u elektromotorů.

V poslední době se z těchto slitin vyrábějí velké lisované profily pro stavbu

vagónů, korby nákladních automobilů apod. [11,14]


Fakulta strojní


21

slitiny s vysokou pevností:

o Al – Cu – Mg

Slitiny tohoto typu jsou známé pod komerčním názvem jako duraly. Ve

srovnání s předchozími slitinami mají duraly horší tvařitelnost za tepla, která se

ještě více snižuje s rostoucím obsahem legujících prvků. Další velkou roli hraje

poměr Mg:Si. Pokud je tento poměr větší než 1,73, slitiny mají schopnost

přirozeného stárnutí. Pokud je poměř menší než 1,73, uplatňuje se stárnutí

umělé. Díky vysokým pevnostním charakteristikám (poměru pevnosti k měrné

hmotnosti) nachází tyto slitiny přednostně uplatnění pro výrobu konstrukcí

letadel a částí automobilových karosérií. Nevýhodou těchto slitin je špatná

korozní odolnost, proto je nutné aplikovat speciální povrchové úpravy (lisované

profily), nebo plátování hliníkem o čistotě 99,5 % (plechy).

Přidáním niklu k této slitině se zvýší odolnost vůči teplotě a slitiny je pak

možné použít k výrobě pístů, hlav válců apod. [11,14]

o Al – Zn – Mg – Cu

Slitina AlZn6Mg2Cu je nejpevnější vytvrzovatelná slitina hliníku, kde

můžeme získat pevnost Rm větší než 700 MPa umělým stárnutím. Slitina se

tepelně mechanicky zpracovává tak, že po rozpouštěcím žíhání se uplatňuje

kombinace přirozeného a umělého stárnutí s přidáním plastické deformace.

Rozlišují se tři stavy zpracování:

- T6 = nejvyšší pevnost, špatná houževnatost, spatná korozní odolnost

- T76 = střední pevnost, zlepšená houževnatosti i korozní odolnost

- T73 = nízká pevnost, nižší houževnatost, dobrá korozní odolnost [11,14]

2.6.1 Slévárenské slitiny hliníku

Slitiny hliníku určené pro odlévání mají v porovnání se slitinami pro tváření

větší obsah legujících prvků, jsou heterogenní a v jejich struktuře se objevuje

eutektikum. V porovnání jsou méně tvárné a jejich tvárnost klesá se zvyšujícím

se obsahem eutektika, zvláště při vyšších teplotách. Na druhou stranu jejich

slévárenské vlastnosti, jako jsou dobrá zabíhavost, malý sklon k tvorbě za tepla


Fakulta strojní


22

a malá náchylnost k tvorbě staženin jsou určujícími faktory pro jejich použití.

Mechanické vlastnosti slévárenských slitin jsou závislé nejen na chemickém

složení, ale také na technologii odlévání. Mechanické vlastnosti nejběžnějších

slévárenských slitin hliníku jsou patrné z tabulky 2.7. [11,14]

Tabulka 2.7 Vlastnosti vybraných slévárenských slitin hliníku. [11]

Typ slitiny Stav Rm [MPa] A10 [%]

AlSi7Mg P, K, T 160 až 210 2

AlSi12Mn P, K, T 140 až 240 2 až 4

AlMg10SiCa T 240 1

AlCu4Ni2Mg P, K 160 až 240 0,5

Pozn.: P = odlito do písku; K = odlito do kokil; T = tepelně zpracováno

Al – Si

Slitiny, které dobře vyplňují formu, málo se smršťují, mají dobrou zabíhavost

a malou náchylnost ke tvorbě trhlin za tepla. V převážné většině případů je

nutno takovouto slitinu modifikovat (očkovat např. sodíkem). Tím se zlepší její

mechanické vlastnosti. [11,14]

Al – Mg

Slitiny na bázi Al – Mg patří mezi nejlepší slévárenské slitiny. Mechanické

vlastnosti má dobré a korozní odolnost je také vysoká. Méně příznivě však na

ně působí proces stárnutí za vyšších teplot, kdy sice dochází ke zlepšení

mechanické pevnosti, ale zároveň se snižuje jejich houževnatost. [11,14]

Al – Cu

Slitiny vyznačující se dobrou odolností proti opotřebení. Legováním niklem

získáme slitiny vhodné pro odlitky pracující za zvýšených teplot. S touto slitinou

se můžeme setkat v automobilovém průmyslu. [11,14]

Al – Zn

Slitiny na bázi Al – Zn s přísadou dalších několika legujících prvků (Cu, Mg,

Si) se vyznačují dobrou slévatelností, snadným tepelným zpracováním a

dobrými mechanickými vlastnostmi. [11,14]


Fakulta strojní


23

2.7 Tepelné zpracování hliníku a jeho slitin

Ve smyslu ČSN 42 0056 definujeme tepelné zpracování hliníku a jeho slitin

jako pochod, při kterém je výrobek či jeho část v tuhém stavu podroben

jednomu či více žíhacím cyklům za účelem dosažení požadované struktury a

vlastností.

Žíhací cyklus lze definovat jako změnu teploty výrobku v určitém rozmezí

v závislosti na čase.

Účelem tepelného zpracování hliníkových slitin je dosáhnout určitý

nerovnovážný stav struktury, který zajišťuje požadované vlastnosti výrobku. Lze

jej rozdělit do dvou skupin na [2]:

žíhání

vytvrzování

2.7.1 Způsoby žíhání hliníku a jeho slitin

Aplikované způsoby žíhání hliníku a jeho slitin jsou:

Rekrystalizační žíhání – pomocí tohoto tepelného zpracování se mění

převážně u kovů tvářených za studena jejich původní deformovaná struktura na

nově rekrystalizovanou. Dalším vlivem rekrystalizačního žíhání je snížení

pevností a zvýšení plastických vlastností. Nejběžnější použité teploty se

pohybují v rozmezí 250 – 500°C. Teplota je závislá na chemickém složení a na

velikosti předcházející deformace za studena, kdy s rostoucí deformací klesá

rekrystalizační teplota a velikost zrn. [2,6,12,15,16]

Stabilizační žíhání – slouží ke stabilizaci struktury, mechanických,

fyzikálních, chemických vlastností a rozměrů výrobku. Aplikuje se většinou pro

slitiny, které jsou v provozu vystaveny zvýšené teplotě. Teplota stabilizačního

žíhání musí být vyšší, než je teplota provozní. Pohybuje se většinou v rozmezí

240 – 350°C. Se stabilizačním žíháním se nejčastěji setkáváme právě u odlitků.

[2,6,12,15,16]

Žíhání ke snížení vnitřního pnutí – teplota tohoto žíhání je nižší, než

teplota rekrystalizace. Pohybuje se obvykle v rozmezí 300 – 400°C. Jak název


Fakulta strojní


24

napovídá, toto žíhání slouží ke snížení vnitřního pnutí, zejména po předešlých

výrobních operacích. Po ohřevu a výdrži na teplotě následuje řízené

ochlazování. [2,6,12,15,16]

Žíhání s částečnou rekrystalizací – se používá pro výrobky tvářené za

studena a vede ke vzniku částečně rekrystalizované struktuře. Rozmezí teplot

se stejné jako u rekrystalizačního žíhání, tedy 250 – 500°C, pouze doba výdrže

na teplotě se volí kratší, aby se zabránilo úplné rekrystalizaci. [2,5,12,15,16]

Homogenizace – tepelné zpracování sloužící k odstranění, nebo snížení

chemické heterogenity difuzními procesy. Teplota homogenizace jsou vysoké a

pohybují v blízkosti teploty solidu. Délka doby žíhání závisí na chemickém

složení slitiny a její struktuře. Z časového hlediska jde o nejvíce náročné

tepelné zpracování v procesu výroby. Používá se především u slitin typu Al –

Cu – Mg, Al – Mg – Si a Al – Zn – Mg, u kterých se při rekrystalizaci nedosáhne

rovnovážné struktury. Příčinami jsou [2,6,12,15,16]:

nerovnovážné eutektikum, např. u slitiny typu EN AW-2024 je vidět na

obr. 2.4a

nerovnovážné intermetalické fáze, které lze homogenizací přivést do

tuhého roztoku α, např. CuAl2 je vidět na obr. 2.4b

rovnovážné intermetalické fáze, které nelze homogenizací přivést do

tuhého roztoku α, např. FeAl3

přesycený tuhý roztok α

a) b)

Obr. 2.4 a) Eutektikum slitiny EN AW-2024, zv.1000x [2],

b) Litý stav (AlCu4Mg1), zv.250x [6]


Fakulta strojní


25

2.7.2 Precipitační zpevnění (vytvrzování) hliníkových slitin

Vytvrzováním se dají ovlivňovat mechanické, technologické a fyzikální

vlastnosti materiálu ve značném měřítku. Aby slitina byla schopná vytvrzení,

musí být splněna podmínka existence výrazné změny rozpustnosti legujících

prvků v závislosti na teplotě. Změna rozpustnosti v tuhém roztoku α je

základním předpokladem pro vznik přesyceného tuhého roztoku α.

Vytvrzováním je možné ovlivnit v poměrně velkém rozsahu mechanické,

technologické i fyzikální vlastnosti slitin.

Vytvrzování se skládá ze dvou na sebe navazujících technologických úkonů.

Oba tyto úkony do značné míry ovlivňují konečný výsledek. Jedná se o:

rozpouštěcí žíhání – se skládá z ohřevu na vhodnou rozpouštěcí

teplotu, výdrže na této teplotě a rychlého ochlazení kritickou, nebo

nadkritickou rychlostí tak, aby došlo k vytvoření přesyceného tuhého

roztoku α. Doba výdrže na teplotě rozpouštěcího žíhání slouží k

převedení intermetalických fází (např. CuAl2, Mg2Si) do tuhého roztoku.

Kritická rychlost ochlazování je nejmenší možná rychlost ochlazování,

kdy nenastává rozpad přesyceného tuhého roztoku.

stárnutí – je proces, kdy dochází ke změně substruktury a díky tomu i ke

změně mechanických, technologických i fyzikálních vlastností. Stárnutí

se realizuje buď při pokojové teplotě (mluvíme o přirozeném stárnutí),

nebo při zvýšené teplotě (mluvíme o umělém stárnutí). Vliv teploty na

dobu stárnutí a mechanickou pevnost slitiny EN AW-2024 je patrný z obr.

2.5. U této slitiny se umělé stárnutí většinou neprovádí, slitina se

nechává stárnout přirozeně obvykle po dobu nejméně tří dní.

[2,6,12,15,16]


Fakulta strojní


26

Obr. 2.5 Efekt teploty stárnutí na pevnost slitiny EN AW-2024 [4]

2.8 Koroze a odolnost proti korozi

Koroze kovů, neboli znehodnocování kovových materiálů chemickým, či

fyzikálně chemickým účinkem okolního prostředí závažný problémem v celém

světě. Přírodní korozní prostředí, jako je voda, půda a atmosféra, jsou

znečišťovány průmyslovou činností, čímž korozní agresivita stoupá. Současně

také stoupají nároky na bezporuchovost a spolehlivost strojírenských výrobků,

protože narušení jejich funkce korozí může mít vážné následky na životní

prostředí i ztráty na životech. [13]

Odhady provedené některými průmyslově vyspělými státy se většinou

shodují, že celkové ztráty způsobené korozí jsou asi 3 – 4 % hrubého

národního produktu. Proto se také korozní odolnost výrobků stále častěji

uplatňuje jako kritériem při hodnocení jejich jakosti. [13]

2.8.1 Hlavní činitele koroze

Koroze hliníku a jeho slitin je závislá především na stabilitě ochranné

pasivační vrstvy. Vrstva oxidů je poměrně snadno rozpustná v kyselé i alkalické

oblasti, zatímco v neutrální oblasti je nerozpustná. Závislost korozního úbytku

hliníku na hodnotě pH je patrná z obrázku 2.6. V kyselé oblasti vznikají

rozpustné soli. V alkalické oblasti rozpustné hlinitany či komplexní sloučeniny.


Fakulta strojní


27

Oblast minimální koroze pro hliník je v rozmezí pH 5,5 – 8,5 s minimem okolo

hodnoty pH 6,5. [13]

Obr. 2.6 Hmotnostní úbytek Al za dva dny v závislosti na pH. 1 – nad roztokem

vzduch, 2 – nad roztokem dusík [13]

2.9 Koroze hliníku a jeho slitin

Hliník je prvkem velmi reaktivním a lehce oxidovatelným, přesto se často

chová jako korozně stálý kov, a to díky ochrannému účinku pasivační vrstvy.

Její vlastnosti a odolnost jsou často rozhodující pro praktické použití hliníků a

jeho slitin. Povrch hliníku se působením suchého vzduchu opatří během

několika minut oxidickou vrstvou Al203 o tloušťce 10-10m. Tato vrstva se i nadále

zvětšuje a vytváří pasivační vrstvu zpomalující další proces koroze. Tloušťka

oxidické vrstvy se obvykle pohybuje v rozmezí 10-10m až 10-6m a je přímo

závislá na podmínkách prostředí (přítomnost aniontů, kationtů, teplota, pH)

Ochrannou vrstvu lze zvýšit eloxováním, čímž povrch získá nejen lepší korozní

odolnost, ale také vyšší tvrdost. [2,13]

Vliv příměsí na korozní stálost čistého hliníku je závislá především na

prostředí, proto se jednotlivé prvky nedají seřadit podle škodlivosti. Obecně


Fakulta strojní


28

platí, že korozní odolnost se stoupající čistotou hliníku roste. Např. měď a zinek

výrazně snižují korozní odolnost vůči mořské vodě, zatímco železo jen málo.

Naopak hliník s obsahem mědí není v kyselině chlorovodíkové napadán silněji,

než hliník s obsahem mědi. Chemická odolnost hliníku a jeho slitin pro

chemické reakce ve vodě a na vzduchu je uvedena v tab. 2.8, kde nejvyšší

chemickou odolnost dosahuje čistý Al a nejnižší slitina typu Al-Cu. [2,13]

Tab. 2.8 Chemická odolnost Al a jeho slitin pro chemické reakce ve vodě a na

vzduchu. [2]

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Al Al-Mn Al-Mg Al-Mg-Si Al-Si Al-Zn-Mg Al-Zn-Mg-Cu Al-Cu-Mg Al-Cu

Z tab. 2.8 je patrné, že z korozního hlediska je u slitin hliníku rozhodující

obsah mědi. Proto je můžeme rozdělit do dvou skupin na:

Slitiny neobsahující měď – mají prakticky stejnou chemickou odolnost

jako čistý hliník Al 99,5. S ohledem na lepší mechanické vlastnosti jsou

však vhodnějším konstrukčním materiálem. Např. slitiny AlMn a AlMgMn

se používají pro skladovací nádoby potravinářského i chemického

průmyslu. Slitiny AlMg, AlMg3 a AlMg5 se používají k výrobě konstrukcí

pro různě agresivní podmínky, především atmosférické, a na stavbu

říčních lodí. Ve zvláštních případech, kdy hrozí nebezpečí vzniku

důlkové koroze, se používá plátování méně ušlechtilou slitinou. Plátování

má za úkol elektrochemicky ochránit základní materiál před pronikáním

koroze do hloubky. Např. slitiny AlMg3 a AlMgMn se plátují slitinou

AlZn1. [13]

Slitiny obsahující měď – jako jsou např. AlCuMg a AlZnMgCu jsou

méně odolné v agresivním prostředí obsahujících chloridy, stejně tak i

v průmyslové atmosféře. Proto se při vysokých nárocích na chemickou

odolnost slitina typu AlCuMg mající vysokou pevnost plátuje čistým

hliníkem. Na slitinu AlZnMgCu se používá jako plátování slitina AlZn1.

Lité slitiny obsahující měď mají také nižší odolnost vůči korozi, ale


Fakulta strojní


29

vzhledem k větší tloušťce stěn u výrobků připravených litím bývá korozní

napadení ještě snesitelné, zejména jedná-li se součásti vystavené pouze

atmosféře. [13]

Pro zvyšování odolnosti proti korozi Al slitin se využívají i technologie

plátování slitin čistými prvky, v našem případě Al.

2.10 Výroba plátovaných plechů ze slitiny Al 2024

Pro výrobu plechů se zpravidla používá pás o tloušťce 3 až 8 mm vyrobený

válcováním za tepla, nebo plynulým/polo-plynulým litím.

Polo-plynulé lití ingotu – výchozím polotovarem pro válcování za tepla je

obdélníkový ingot odlévaný polopropustným způsobem do vodou chlazené

kokily prstencovitého tvaru. Schéma výroby je zobrazuje obr. 2.7. Zvláštní

pozornost je při výrobě věnovaná kvalitě taveniny. Před litím se provádí se

odplynění ke snížení množství vodíku a filtrace pro odstranění vměstků. [2]

Obr. 2.7 Polo-plynulé lití ingotu [2]


Fakulta strojní


30

Po odlití ingotu následuje válcování za tepla. Ingoty jsou ohřáté v peci na

teplotu nad hranicí rekrystalizace, pro dosažení lepší plastičtějšího materiálu a

během tváření dochází pouze k minimálnímu zpevnění. Ohřáté bloky jsou

válcovány reverzním způsobem s postupnými tloušťkovými úběry. Takto

vyrobený pás je navinut do podoby svitku, kde po vychladnutí slouží jako

polotovar pro válcování za studena. Schéma válcování za tepla je patrné z obr.

2.8. [2]

Obr. 2.8 Schéma válcování za tepla [2]

Válcování za studena slouží pro vytvoření konečné tloušťky výrobku.

Materiál je většinou postupně redukován několika úběry v závislosti na druhu

slitiny (hodnoty úběru se pohybují v rozmezí 20 – 50 %). Pro válcování se

nejčastěji používají reverzní kvarto stolice s dvojicemi opěrných válců (pro

hmotnost vývalků do 5 tun), nebo jednosměrné. Parametry při válcování, které

ovlivňující výslednou strukturu a vlastnosti povrchu jsou rozměry, tlaková síla,

kroutící moment, velikost zadního tahu a způsob nástřiku válcovacího oleje,

který plní funkci mazání a chlazení válců. Chlazení slouží k odvodu tepla, které

vzniká mechanickou deformací. Schéma válcování za studena ukazuje obr. 2.9.

[2]


Fakulta strojní


31

Obr. 2.9 Schéma válcování za studena – válcovací stolice kvarto [2]

Nanášení plátované vrstvy se provádí zejména za účelem zlepšení korozní a

chemické odolnosti. Používají se dva způsoby:

Plát v podobě tenkého plechu je vykartáčován a vymořen. Následně

položen na dobře očištěný podklad (plátovaný předmět). Podklad

s plátem se spolu předehřejí a poté dojde válcováním za tepla (380-

450°C) ke spojení.

Na podklad se nalije roztavený plátovací kov, nebo je plátovaný předmět

do něj namočen. [17]

2.11 Difúze

Difúzi lze definovat jako samovolné pronikání molekul z oblasti vyšší

koncentrace do oblasti s nižší koncentrací vlivem tepelného pohybu částic a

jejich srážek. Jde o přenos částic látky i vakancí vzhledem k sousedním

částicím. Difúze probíhá ve všech skupenstvích s tím, že nejrychleji v plynném

a nejpomaleji v pevném, avšak pouze v pevné fázi dochází jako v jediné


Fakulta strojní


32

k přenosu hmoty. Rychlost difúze je popsána Fickovými zákony a její mírou je

difúzní součinitel. Difúze je nevratným dějem, při kterém vzrůstá entropie. Difúzí

se uskutečňují veškeré mezifázové procesy, jako je vznik roztoků, absorpce

plynů, apod. V metalurgii je difúze jeden z nejdůležitějších dějů během tuhnutí

kovů a slitin. Také při jejich následném tepelném a chemicko-tepelném

zpracování. [18,19]

Difůze v kovech probíhá tak, že atomy difundujícího prvku vnikají do mřížky

jiného kovu do polohy mimo mřížku, nebo do vzniklého volného místa. Vniknutí

nového prvku do struktury jiného kovu závisí zejména na vzájemném poměru

velikostí atomů. Prvek s malými atomy snáze vniká do mřížky kovu s velkými

atomy. Například difuze uhlíku a dusíku do železa. [18,19]

Difúze prvku A do B probíhá pouze za předpokladu, že prvky spolu tvoří tuhý

roztok. Při spojení difunduje prvek A do kovu B rozdílnou rychlostí, než prvek B

do kovu A. Rozdíl rychlosti obou difúzních toků je vyrovnán tokem, což se

projeví jako posunutí původní roviny styku. [18,19]

Rovnice difúze

Předpokládejme, že směr koncentračního gradientu je rovnoběžný s osu x,

pak tok prvku A (IA) v čase t a ve směru x jednotkovou plochu kolmou na tento

směr lze definovat vztahem (2.2)

t

AAA

x

cDI

, (2.2)

kde cA je koncentrace prvku A, DA je difúzním součinitelem v cm2.s-1 (za

předpokladu, že ostatní veličiny jsou vyjádřeny v soustavě cm, g, s). Tento

vztah je znám jako Fickův I. zákon. Tento zákon ověřuje skutečnost, že tok se

zmenšuje až k nule, jakmile se přiblížíme k homogennímu stavu. Difúzní tok

vyjadřujeme ve všech třech základních směrech soustavy dle rovnice (2.2)

nebo vektorově dle rovnice (2.3). [20]


Fakulta strojní


33

cgradDI , (2.3)

Z podmínky zachování celkového množství atomů difundovaného prvku A

můžeme vyjádřit časovou změnu koncentrace na zvolené ploše, nebo v místě

za použití II. Fickova zákona vyjádřeného rovnicí (2.4), ve směru osy x platí.

[20]

x

cD

xt

c, (2.4)

Fickův II. zákon v případě, že D nezávisí na poloze atomu v mřížce a jeho

vztahu k difúznímu směru a není funkcí koncentrace je uveden v rovnici (2.5).

[20]

2

2

x

cD

t

cresp.

t

c

= div (D grad c), (2.5)

V rovnici (2.6) je znázorněna závislost difúzního součinitele D na teplotě T,

,kT

QexpDD 0

(2.6)


Fakulta strojní


34

kde D0 je frekvenční faktor, Q značí aktivační energii difúze a k je

Boltzmannova konstanta. D0 a Q nejsou závislé na teplotě a určíme je graficky

nebo početně. [20]

Rozpad přesyceného tuhého roztoku je složitým dějem, jeho průběh závisí

především na teplotě. Mechanismus vytvrzování slitin je velmi podobný. Např. u

slitiny Al-Cu probíhá rozpad přesyceného tuhého roztoku za vyšších teplot

způsobem:

Přesycený tuhý roztok obsahuje pásma bohatá na Cu (nazýváme Guinier-

Prestonovo pásmo I), pásmo bohaté na Cu s jiným uspořádáním atomů

(nazýváme Guinier-Prestonovo pásmo II) a mezifáze β´stabilní fáze β ≡ (CuAl2).

V jednom materiálu se často vyskytuje hned několik přechodných struktur. [21]

Pásma bohatá na měď (G-P pásma) vznikají při stárnutí a tvoří se z atomů

mědi, které se nashromáždí v určitých krystalografických rovinách. Rovnoměrné

rozložení mědi se mění na nerovnoměrné. Atomy mědi difundují na určitá místa

mřížky, v kterých dochází k obohacení. Atomy legujících prvků mají jiné

rozměry než atomy základního hliníku, čímž dochází k napěťovému stavu a

deformaci krystalické mřížky, která se projevuje vyšší pevností. Síly potřebné

pro vyvolání skluzů v takto deformované mřížce se zvyšují. U vytvrditelných

slitin Al-Cu-Mg jsou poměry ještě složitější, protože se vytvrzování zúčastňují

také další legující prvky. [21]

2.12 Elektronová mikroskopie

V diplomové práci musí být využita elektronová mikroskopie vzhledem na

strukturní změny, které probíhají po precipitaci a technologii plátování.

Elektronová mikroskopie využívá pro zobrazení svazek elektronů, s jehož

pomocí je díky malé vlnové délce je umožněna vysoká rozlišovací schopnost.

Pro studium struktury kovových povrchů lze elektronovou mikroskopií použít

několik metod:


Fakulta strojní


35

a) transmisní metoda – prvek (replika, fólie, film) je zkoumán procházejícím

elektronovým paprskem

b) řádkovací metoda – pohyb svazku elektronů je řízený, výsledný obraz je

tvořen pomocí odražených elektronů, nebo sekundárně emitovanými

elektrony

c) reflexní metoda – k zobrazení využívá odraz elektronového svazku od

povrchu

d) emisní metoda – zobrazení je dosaženo pomocí elektronů emitovaných

přímo ve vzorku

Elektronová mikroskopie v porovnání se světelnou není omezena pouze na

studium povrchu. Na mikroskopech s vysokým urychlujícím napětím lze

prozařovat tenké kovové vrstvy vytvořené zeslabováním vzorků (fólie), nebo

růstovými procesy, jako je například napařování (filmy). Další výhodou

elektronové mikroskopie je možnost přechodu od zobrazení k identifikaci

fázového složení strukturních útvarů. Také můžeme sledovat chemické složení

ve velmi malých objemech vzorku při spojení elektronového mikroskopu

s energiově disperzním analyzátorem. Musíme si být ale vědomi, že

pozorujeme velmi malý objem vzorku a že struktura technických kovů není

z pravidla heterogenní.

Elektronový svazek se v mikroskopii nejčastěji využívá k vytvoření obrazu,

uřčení struktury a pro stanovení chemického složení látek. Při vstupu elektronů

do zkoumaného materiálu dochází k interakci elektronů s atomy, což nám

umožňuje získat požadované informace. Interakce elektronů se vzorkem a

výsledné produkty jsou znázorněny na obr. 2.10. [22]


Fakulta strojní


36

Obr. 2.10 Interakce elektronů s materiálem [23]

V řádkovací elektronové mikroskopii je tvorba obrazu a jeho zvětšení

dosahována elektrickou cestou s využitím ostře fokusovaného svazku

primárních elektronů. Svazek je fokusován na povrch materiálu za vzniku

různých fyzikálních signálu. Poloha, odkud vycházejí různé signály je

znázorněna na obr. 2.11.

Obr. 2.11 Schematická ukázka oblastí, v nichž dochází k emisi různých

fyzikálních signálů [24]


Fakulta strojní


37

Výsledný obraz vzniká tak, že svazek bod po bodu a řádek po řádku

prochází zvolenou oblast povrchu vzorku. Princip řádkovací mikroskopie lze

využít také pro detekci prošlých elektronů u tenkých vzorků. Tato metoda je pak

označována jako transmisní řádkovací elektronová mikroskopie.

Elektrony procházejí tenkým vzorkem přímo, nebo jsou ze své původní

dráhy odkloněny. Pro výsledné zobrazení je nutné tyto signály detekovat

samostatně. Mezi vzorek a detektor se proto vkládá clona, jenž osvětluje pouze

nepatrnou část detektoru. Podle typu clony můžeme vzorek pozorovat buď ve

světlém, nebo tmavém poli. Ve světlém poli detekujeme procházející

neodchýlené elektrony – clona je ve tvaru kruhové štěrbiny. V tmavém poli

detekujeme odchýlené elektrony – clona ve tvaru mezikruží. [22]

3. Experimentální část

Tato diplomová práce navazuje na mou bakalářskou práci z roku 2012

s názvem „Plátované plechy z Al slitiny 2024 s obsahem mědi“ ve které jsem se

zabýval změnou korozní odolnosti v závislosti na podmínkách tepelného

zpracování a diplomovou práci „Vliv tepelného zpracování plátovaných plechů

z Al slitiny 2024 na difúzi mědi“ [24].

Cílem experimentální části je hlubší studium mikrostruktury a materiálové

vlastnosti (vychází se ze statické zkoušky v tahu a tvrdosti).

Zkoumaný materiál

Hodnoceným a zkoumaným materiálem byla dodaná slitina firmou

LATECOERE Czech Republic s.r.o., která se využívá pro stavbu leteckých

konstrukcí.


Fakulta strojní


38

Jedná se o Al slitina EN-AW 2024 ve formě plechů o tloušťce 1,2 a 2,0 mm.

Chemické složení slitiny je uvedeno v tabulce 3.1. Tento plech byl opatřen

plátovací vrstvou z hliníku EN-AW 1050 (hliník o čistotě 99,5 %), jejích

chemické složení je uvedeno v tabulce 3.2. Tato plátovací vrstva slouží jako

protikorozní ochrana a její minimální tloušťka je dle norem společnosti

LATECOERE Czech Republic s.r.o. stanovena na 48 µm u plechu o tloušťce

1,2 mm a 40 µm u plechu o tloušťce 2,0 mm.

Tab. 3.1 Chemické složení EN AW-2024. [25]

Chemické složení [hm. %]

Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Zr+Ti Ti Ostatní

Al Jedotl. Celkem

≤

0,50

≤0,50 3,8-

4,9

0,30-

0,9

1,2-

1,8

≤0,10 ≤0,25 ≤0,20 ≤0,15 ≤0,05 ≤0,15 zbytek


Chemické složení [hm. %]

Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Zr+Ti Ti Ostatní

Al Jedotl. Celkem

≤0,25 ≤0,40 ≤0,05 ≤0,05 ≤0,05 - ≤0,07 - ≤0,05 ≤0,03 - zbytek

Pro vyhodnocení byly připravené danou firmou ploché zkušební vzorky pro

statickou zkoušku v tahu - obr. 3.1. Po přetržení byla měřena mikrotvrdost a

hodnocena mikrostruktura v okolí lomové plochy, ze které byly následně

identifikovány různé fáze. Geometrie zkušebních vzorků je uvedena na obr. 3.2,

které byly připraveny společností LATECOERE Czech Republic s.r.o.


Fakulta strojní


39

Obr. 3.1 Sada vzorků pro tahovou zkoušku

Obr. 3.2 Schéma zkušebních vzorků pro statickou zkoušku v tahu

Příprava vzorků:

Zkušební vzorky byly dodány společností LATECOERE Czech Republic

s.r.o. Požadovaný tvar vzorků byl dosažen frézováním frézkou CRENO na

plechové sítě. Takto bylo připraveno celkem 6 vzorků o tloušťce 1,2 mm a

dalších 6 o tloušťce 2,0 mm. Z 6 vzorků jich bylo následně 5 tepelně

zpracováno ve vzduchové cirkulační peci ALU-SAT 2300-140, konkrétně se


Fakulta strojní


40

jednalo o rozpouštěcí žíhání za účelem dosažení precipitační vytvrzování.

Rozdílnost tepelného zpracování u vzorků spočívala v různé době výdrže na

teplotě rozpouštěcího žíhání. Konkrétní doba výdrže každého vzorku je

uvedena v tab. 3.3. Po tepelném zpracování následovalo přirozené stárnutí po

dobu 4 dní. Tepelně nezpracovaný vzorek sloužil jako referenční pro ukázku

vlastností dodaného materiálu.

Tab. 3.3 Doba výdrže na teplotě rozpouštěcího žíhání vzorků.

Tloušťka

plechu Doba výdrže na teplotě 495 ± 5 °C [min]

1,2 mm 0 1 33 40 50 60

2,0 mm 0 1 3 45 55 65

Označení

vzorku 0 2 4 6 8 10

Vzhledem na to, že v předpisech společnosti LATECOERE Czech Republic

s.r.o. je pro tento materiál předepsaná výdrž na teplotě rozpouštěcího žíhání 40

min u plechu o tloušťce 1,2 mm a 45 min, pro plech o tloušťce 2,0 mm, byla

sledovaná změna v mikrostruktuře při změně délky výdrže. Teplota byla pro

všechny vzorky stejná, a to 495 ± 5 °C. Doba výdrže vzorků na teplotě byla

stanovena společností, která tímto ověřovala vliv délky výdrže na stav

materiálu.

Značení vzorků:

DP – A – 012 – 4 – 3

DP – diplomová práce

A – vzorek typu A (pro tahovou zkoušku)

012 – tloušťka plechu je 1,2 mm

4 – vzorek byl vystaven teplotě rozpouštěcího žíhání 495 ± 5°C po dobu 33 min

3 – třetí série vzorků


Fakulta strojní


41

3.1 Statická zkouška v tahu

Statická zkouška v tahu byla provedena v laboratořích na Ústavu

materiálového inženýrství v inovačním centru ICDAM na stroji INSTRON 5582

s nosností rámu 100 kN (obr. 3.3). Měření proběhlo v souladu s normou ČSN

EN ISO 6892-1, tedy zkouška tahem za pokojové teploty.

Podmínky tahové zkoušky:

- Rychlost zatěžování do stanovení meze kluzu Re 0,5 %.min-1

- Rychlost zatěžování od meze kluzu do přetržení 6,0 %.min-1

Obr. 3.3 Univerzální trhací stroj INSTRON 5582 s nosností rámu 100 kN [24]

Statické zkoušce v tahu byly podrobeny vždy 2 vzorky pro každou dobu

výdrže na teplotě rozpouštěcího žíhání. Zkoumány byly také obě tloušťky

plechů, celkem bylo přetrženo 24 vzorků.

Trhací stroj je vybaven měřícím a vyhodnocovacím softwarem TEMPOS.

Tahový diagram zaznamenávající závislost zatížení na tahovém prodloužení je

uveden na obr. 3.4a pro plech o tloušťce 1,2 mm a na obr. 3.4b pro plech o


Fakulta strojní


42

tloušťce 2,0 mm. Měření se vztahuje k počátku 0, posun křivek a výrazný

pokles zatížení po přetržení tyčí byl způsoben vyhodnocovacím softwarem.

Protože pro každé tepelné zpracování byly zkoušeny 2 vzorky, značení vzorků

v obr. 3.4a,b je takové, že tepelně nezpracované vzorky jsou označeny čísly 1 a

2. Výdrž 1 min na teplotě rozpouštěcího žíhání je značen 3 a 4. Ve stejném

trendu pokračuje značení dalších tepelně zpracovaných vzorků.

Obr. 3.4a Záznam tahové zkoušky pro plech 1,2 mm [24]

Obr. 3.4b Záznam tahové zkoušky pro plech 2,0 mm [24]


Fakulta strojní


43

Sledováním charakteru křivek pozorujeme výraznou změnu mechanických

vlastností již po jedné minutě výdrže na teplotě 495 ± 5 °C, kdy lze

předpokládat, že dochází k výraznému zpevnění. Rozdíly při výdrží 33 – 65 min

nejsou již tak výrazné. Naměřené a vypočtené hodnoty meze kluzu Rp0,2, meze

pevnosti Rm a tažnosti A jsou uvedené v tab. 3.4a a 3.4b. V těchto tabulkách

jsou znázorněny průměrné hodnoty pro každé tepelné zpracování. Další

naměřené hodnoty jsou uvedeny v příloze 1.

Tab. 3.4a Naměřené a vypočtené hodnoty pro plech 1,2 mm.

Tahová zkouška výdrž

označení Rp0,2 [Mpa] Rm [Mpa] A

[%] t [min]

DP-A-012-0-1,2 274,0 296,5 4,2 0

DP-A-012-2-1,2 264,3 415,8 21,5 1

DP-A-012-4-1,2 279,4 437,4 23,1 33

DP-A-012-6-1,2 283,5 443,3 22,8 40

DP-A-012-8-1,2 280,1 441,3 22,9 50

DP-A-012-10-1,2 279,0 441,1 23,8 60

Tab. 3.4b Naměřené a vypočtené hodnoty pro plech 2,0 mm.


označení Rp0,2 [Mpa] Rm [Mpa] A

[%] t [min]

DP-A-012-0-1,2 71,2 168,0 23,4 0

DP-A-012-2-1,2 269,7 438,9 23,2 1

DP-A-012-4-1,2 285,5 457,7 24,8 33

DP-A-012-6-1,2 283,3 460,7 25,5 40

DP-A-012-8-1,2 284,5 461,0 22,4 50

DP-A-012-10-1,2 283,0 459,3 25,0 60

Grafické znázornění závislostí meze pevnosti Rm, meze luzu Rp0,2 a

tažnosti A na době výdrže na teplotě 495 ± 5°C je uvedeno na obr. 3.5a,b,c.


Fakulta strojní


44

Modrý sloupec značí plech tloušťky 1,2 mm a červený sloupec plech o tloušťce

2,0 mm.

Obr. 3.5a Závislost meze pevnost Rm na době výdrže na teplotě 495 ± 5°C

Obr. 3.5b Závislost meze kluzu Rp0,2 na době výdrže na teplotě 495 ± 5°C

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 1 33 38 40 45 50 55 60 65

Me

z p

evn

ost

i Rm

[M

Pa]

Doba výdrže na teplotě 495±5°C t [min]

plech 1,2 mm

Plech 2,0 mm

0

50

100

150

200

250

300

0 1 33 40 50 60

Me

z p

evn

ost

i Rp

0,2 [

MP

a]


plech 1,2 mm

Plech 2,0 mm


Fakulta strojní


45

Obr. 3.5c Závislost tažnosti A na době výdrže na teplotě 495 ± 5°C

Zkoumáním naměřených hodnot si můžeme všimnout, že nejvyšších

pevností je dosahováno pro dobu výdrže na teplotě rozpouštěcího žíhání pro 40

až 50 min. Této době výdrže také odpovídá předpis tepelného zpracování

společnosti LATECOERE Czech Republic s.r.o. Výrazným rozdílem mezi

plechem tloušťky 1,2 mm a 2,0 mm byl u tepelně nezpracovaných vzorků, kde

můžeme pozorovat u plechu 2,0 mm nižší pevnostní hodnoty, zatímco u plechu

1,2 mm pozorujeme vyšší hodnotu tažnosti. Takový rozdíl mechanických

vlastností odpovídá rozdílné redukci při předchozím válcování plechů, kdy došlo

u plechu 1,2 mm k většímu mechanickému zpevnění materiálu. U tepelně

zpracovaných vzorků nebyl rozdíl tažnosti tak značný.

Materiálové vlastnosti nepopisují proces, který probíhá v mikrostruktuře

materiálu vzhledem na možnou mikroheterogenitu, která se při statické zkoušce

v tahu nemusí projevit. Zkoušky tvrdosti a mikrotvrdosti mohou blíže

specifikovat změnu mikrostruktury a proto bude důležité, jaká metoda této

zkoušky bude zvolena. Společnost LATECOERE Czech Republic s.r.o. volila

kontrolu materiálu pomocí zkoušky tvrdosti HRB (odpovídající jejich předpisům),

ale v diplomové práci vzhledem na mikrostrukturu byla použita metoda

mikrotvrdosti HV0,01.

0

5

10

15

20

25

30

0 1 33 38 40 45 50 55 60 65

Tažn

ost

A [

%]


plech 1,2 mm

Plech 2,0 mm


Fakulta strojní


46

3.2 Zkouška mikrotvrdosti podle Vickerse

Zkouška mikrotvrdosti proběhla v souladu s normou ČSN EN ISO 6507-1.

Schéma zkoušky je patrné z obr. 3.6.

Obr. 3.6 – Schéma zkoušky tvrdosti podle Vickerse.

Princip zkoušky tvrdosti dle Vickerse:

Vnikací těleso se vtlačuje do zkoušeného materiálu silou F působící kolmo

na povrch vzorku. Vnikací těleso je pravidelný čtyřboký diamantový jehlan o

vrcholovém úhlu jehlanu mezi protilehlými stěnami α 136°. U běžného

zkušebního zařízení je zatížení 300 N po dobu 10 až 15 s. Zkušební zatížení F

pro měření mikrotvrdost je v rozsahu 0,09807N až 1,961, což odpovídá značení

HV0,01 až HV0,2. Ve zkoušeném materiálu se po vniknutí zkušebního tělesa

objeví vtisk, na kterém se měří délky úhlopříček d1 a d2. Výsledná tvrdost dle

Vickerse HV je bezrozměrná veličina a vypočteme ji dle vztahu 3.1.

, (3.1)

kde d je průměrná hodnota velikosti úhlopříček d1 a d2. Hodnota konstanty se

získá ze vztahu 3.2, kde gn je hodnota gravitačního zrychlení. [27]

, (3.2)


Fakulta strojní


47

Vyhodnocení experimentu:

Zkouška mikrotvrdosti podle Vickerse probíhala na mikrotvrdoměru LECO

M-400-G1 při použitém zatížení 10g s dobou zátěže 10 s. Průběh mikrotvrdosti

byl proveden na plechu o tloušťce 2,0 mm ve směru od plátovací vrstvy ke

středu základního materiálu do hloubky 160 µm s intervalem 20 µm.

Průběh mikrotvrdosti HV0,01 v závislosti na vzdálenosti od povrchu pro

různé doby výdrže na teplotě 495 ± 5°C je zachycen na obr 3.7. Naměřené

hodnoty jsou uvedeny v příloze 2.

Obr. 3.7 Závislost HV0,01 na vzdálenosti od povrchu

Z grafické závislosti můžeme u tepelně nezpracovaného plechu označeného

modrou barvou (0 min) pozorovat vcelku stabilní tvrdost do vzdálenosti 80 µm

pod povrchem, kde byla oblast plátovací vrstvy (dalším studiem byla zjištěna

vyšší tloušťka plátovací vrstvy, než jsou společností předepsané minimální

hodnoty). Nárůst tvrdosti začíná ve hloubce 80 – 100 µm, kde je již základní

materiál EN-AW 2024, poté má relativně stálou hodnotu. U vzorku s výdrží na

teplotě 495 ± 5°C 1 min (červená křivka) pozorujeme prudký nárůst tvrdosti

v hloubce 60 – 80 µm. Tendenci křivek lze popsat tak, že s vyšší dobou výdrže

na teplotě rozpouštěcího žíhání průběh ztrácí na strmosti a vyšší tvrdosti se

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

20 40 60 80 100 120 140 160

HV

0,0

1

Vzdálenost od povrchu [µm]

Průběh tvrdosti HV0,01

0 min

1 min

38 min

45 min

55 min

65 min


Fakulta strojní


48

dosahuje blíže u povrchu, naopak maximálních hodnot je dosahováno ve větší

hloubce.

Difúze mědi do plátované vrstvy a její vliv na mikrotvrdost

Vlivem tepelného zpracování byla urychlena také difúze Cu ze základního

materiálu EN-AW 2024 do plátovací vrstvy EN-AW 1050. Obsah Cu byl změřen

liniovou metodou bodově na řádkovacím elektronovém mikroskopu JEOL JSM-

7600F. Měření obsahu Cu probíhalo při zvětšení 500x do hloubky 100 µm od

povrchu s intervalem 5 µm (obr 3.8).

Obr. 3.8 Schéma měření obsahu Cu – bodová metoda, zv. 500x. [24]

Procentuální zastoupení mědi v závislosti na vzdálenosti od povrchu pro

různé doby výdrže na teplotě rozpouštěcího žíhání je uvedeno na obr. 3.9a pro

plech tloušťky 1,2 mm a na obr. 3.9b pro plech o tloušťce 2,0 mm. Tabulkové

znázornění hodnot je uvedeno v příloze 3.


Fakulta strojní


49

Obr. 3.9a Obsah Cu v plátovací vrstvě, plech 1,2 mm.

Obr. 3.9b Obsah Cu v plátovací vrstvě, plech 2,0 mm.

Z grafických závislostí obsahu Cu vidíme, že s vyšší dobou výdrže na teplotě

495 ± 5°C roste množství nadifundované mědi do plátovací vrstvy. Nejstrmější

nárůst je zaznamenán u doby výdrže 1 min, zatímco pozvolný průběh je při

výdrži 33 až 65 min s tím, že čím delší je doba výdrže, tím pozvolnější průběh

obsahu mědi pozorujeme.

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

hm

% C

u

vzdálenost od povrchu [μm]

0 min.

1 min

33 min

40 min

50 min

60 min

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

hm

% C

u

vzdálenost od povrchu [μm]

0 min.

1 min

38 min

45 min

55 min

65 min


Fakulta strojní


50

Průběh mikrotvrdosti do hloubky 100 µm v závislosti na obsahu Cu je

znázorněn na obr. 3.10. Modrý sloupec značí hodnotu mikrotvrdosti HV0,01,

červené čtverce hm % Cu a červená přímka ukazuje tendenci růstu obsahu

mědi.

0

1

2

3

4

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

20 40 60 80 100

hm% Cu

HV

0,0

1


0 min na teplotě 495 ± 5°C

HV0,01

hm% Cu

0

1

2

3

4

5

6

0,0

25,0

50,0

75,0

100,0

125,0

150,0

20 40 60 80 100

hm% Cu

HV

0,0

1



HV0,01

hm% Cu

0

1

2

3

4

5

6

0,0

25,0

50,0

75,0

100,0

125,0

150,0

20 40 60 80 100

hm% Cu

HV

0,0

1



HV0,01

hm% Cu


Fakulta strojní


51

Obr 3.10 Velikost HV0,01 v závislosti na obsahu hm % Cu

Výše uvedené grafické znázornění ukazuje přímý vliv nadifundovaného

množství Cu v plátované vrstvě. Vidíme, že s rostoucím obsahem Cu

dosahujeme vyšších hodnot HV0,01. Lze předpokládat, že difúzní procesy

probíhající při různé době výdrže na teplotě 495 ± 5°C budou záležet na

0

1

2

3

4

5

6

0,0

25,0

50,0

75,0

100,0

125,0

150,0

20 40 60 80 100

hm% Cu

HV

0,0

1



HV0,01

hm% Cu

0

1

2

3

4

5

6

0,0

25,0

50,0

75,0

100,0

125,0

150,0

20 40 60 80 100

hm% Cu

HV

0,0

1



HV0,01

hm% Cu

0

1

2

3

4

5

6

0,0

25,0

50,0

75,0

100,0

125,0

150,0

20 40 60 80 100

hm% Cu

HV

0,0

1



HV0,01

hm% Cu


Fakulta strojní


52

rozložení dalších prvků v dané struktuře. Kvalita homogenity původně dodaných

plechů nebyla kontrolována.

3.3 Hodnocení mikrostruktury

Hodnocení mikrostruktury bylo provedeno pomocí světelného mikroskopu

Neophot 32 od firmy Carl Zeiss na vybroušených a naleptaných vzorcích. Dále

byly pomocí elektronové mikroskopie hodnoceny lomové plochy.

Metalografická příprava vzorků

Příprava vzorků se řídila předepsanými pravidly, které respektují hlavně to,

aby nedošlo k tepelnému ovlivnění struktury a nevznikaly tzv. artefakty.

a) Odběr vzorků

Řezání vzorků proběhlo mechanickým rozbrušováním na pile MSX255M od

výrobce LECO.

b) Preparace vzorků

Na preparaci vzorků byl použit VariDur 200 Pulver od výrobce Buehler

GmbH. Směs prášku a kapaliny v poměru 2.1 se 3 min promíchávala, poté

došlo k zalití vzorků ve formě, kde se nechaly ztuhnout po dobu 10 min.

c) Broušení a leštění vzorků

Pro broušení a leštění vzorků byla použita brusička/leštička GPX300 od

společnosti LECO. Broušení bylo prováděno na brousících papírech

s průměrem 305 mm v pořadí drsnosti 600, 1200, 2000 a 4000 zrn/palec2.

Pro leštění byla použita diamantová suspenze s velikostí zrna 3 µm, poté

suspenze Collodial Silica, což je roztok jemných amorfních, neporézních

sférických částic oxidu křemičitého s velikostí částic 5 až 100 nm.

Přítlak a pohyb během broušení i leštění byl manuální.


Fakulta strojní


53

d) Leptání

Pro zvýraznění struktury fází byly broušené vzorky naleptány leptadlem

FUSS. Jeho složení je 7,5 ml HF, 8ml HNO3 a 25ml HCL v 1000ml

demineralizované H2O. Leptání probíhalo po doby 5 až 10 s.

Metalografické hodnocení struktury:

Hodnocená struktura materiálu je patrná z obr. 3.11a, kde bylo zvoleno 100x

zvětšení, na obr. 3.11b je vzorek 500x zvětšen. Oba snímky jsou z plechu o

tloušťce 2,0 mm, kde doba výdrže na teplotě 495 ± 5°C byla 55 min.

a) b)

Obr. 3.11a) Vzorek DP-A-020-8-3, 100x zv., b) Vzorek DP-A-020-8-3, 500x zv.

Mikrostruktura je poznačena předcházející technologií, kde zrna jsou

protáhlá ve směru válcovaní. Lze rozlišit dvě základní struktury, a to slitiny 2024

a plátované vrstvy Al 1050, z čehož je patrné, že tato vrstva nemá plastickou

deformací ovlivněná zrna. Vzhledem na to, že jsme neznali metodu plátování

(firma dodala k dispozici materiál společnostní běžně využíván), nelze se

vyjádřit k tepelnému zpracování plátovaných vrstev. Vidíme, že struktura je

zatížena výskytem velkého počtu intermediárních fází, kterým byla dále

věnována větší pozornost v části „Hodnocení mikrostruktur pomocí elektronové

mikroskopie“. Výskyt nečistot a intermediárních fází byl zdůrazněn při 500x

zvětšení mikrostruktury – obr.3.11b.


Fakulta strojní


54

Mikrostruktura slitin Al-Cu-Mg je ve vyžíhaném stavu tvořena rozpustnými, i

nerozpustnými fázemi. Mezi rozpustné patří například Al2Cu (což je hlavní

zpevňující fáze), nebo Al2CuMg. Fáze tvořené v Al za přítomnosti legujícího

prvku Cu, co lze zobrazit v binárním rovnovážném diagramu Al – Cu (obr.

3.12). [2]

Obr. 3.12 Binární rovnovážný diagram Al – Cu [2]

Hodnocení mikrostruktur pomocí elektronové mikroskopie

Elektronová mikroskopie a spektrální analýza nám ukázala, že ve struktuře

materiálu nejsou přítomny pouze dvousložkové intermediární fáze. Pro popis

fází tvořených ve slitinách typu Al-Cu-Mg je možné vycházet z ternárního

diagramu Al-Cu-Mg (obr. 3.13).


Fakulta strojní


55

Obr. 3.13 Ternární diagram Al-Cu-Mg s vyznačením invariantních bodů (mřížka

v at. %, osy v km. %). [2]

Popis fází na bázi Al-Cu-Mg je velice složitý a dosud nejsou popsány

veškeré vyskytující se fáze, jejich vlastnosti a vliv na okolní strukturu jsou

neznámé. Některé z binárních a ternárních fází typu Al-Cu a Al-Cu-Mg jsou

uvedeny v tab. 3.5. [2]

Tab. 3.5 Binární a ternární fáze vyskytující se v systému Al-Cu-Mg.[2]

Označení θ η1 η2 ζ1 ζ2

Fáze Al2Cu AlCu AlCu Al4Cu5 Al4Cu5

T [°C] < 591 624-560 < 561 590-530 < 570

Označení ε1 ε2 δ β0 β

Fáze Al4Cu5 Al4Cu1+x Al3Cu2 AlxCu1-x AlCu3

T [°C] 958-848 850-560

Označení γ0 γ1

Fáze Al4Cu5 Al4Cu10 CuMg2 Al3Mg2 Al12Mg17

T [°C] 1022-780 < 873


Fakulta strojní


56

Označení X Q S T

Fáze Al30Mg23 Al7Cu3Mg6 Al7CuMg (AlxCu1-x)49Mg32

T [°C] 370-320

Označení V λ1 λ2 λ3

Fáze Al11Cu11Mg4 (AlxCu1-

x)2Mg (Al1-xCux)2Mg (Al1-xCux)2Mg

T [°C]

Studium intermediárních fází jsem prováděl z lomových ploch (lomy po

statické zkoušce v tahu), faktografickým hodnocením. Na těchto plochách byly

dobře rozlišitelné intermediární fáze charakteristické geometrickými útvary a

jejich rozložením. [29] Lomové plochy byly pozorovány elektronovým

mikroskopem JEOL JSM-7600F (obr. 3.14), který nám umožnil zorientovat se

v chemickém složení přítomných fází.

Obr. 3.14 Elektronovým mikroskopem JEOL JSM-7600F [28]

Lomová plocha tepelně nezpracovaného a zpracovaného vzorků je patrná

na obr. 3.15. Při tepelném zpracování se intermediární fáze vyskytují

objemnější s náhodným rozložením v objemu materiálu a po tepelném


Fakulta strojní


57

zpracování nastal částečný rozpad těchto intermediárních fází (z objemných na

jemnější).

a) b)

Obr. 3.15 Lomová plocha a) tepelně nezpracovaná, b) výdrž 65 min na teplotě 495 ± 5°C

Elektronovým mikroskopem byly hodnoceny lokality s výskytem

intermediárních fází z 12 připravených vzorků (1 vzorek z každého tepelného

zpracováni a z každé tloušťce plechu 1,2 mm a 2,0 mm). Analýza chemického

složení byla provedena z náhodně zvolených míst z oblastí, ve kterých se

měnilo chemické složení skokem. Lomové plochy jsou hodnoceny po statické

zkoušce v tahu.

Tab. 3.6 Seznam vybraných vzorků hodnocených v DP.

Označení vzorku Tloušťka vzorku [mm] Doba výdrže při 495±5°C

DP – A – 020 – 0 – 3 2,0 0 min

DP – A – 012 – 0 – 3 1,2 0 min

DP – A – 012 – 4 – 3 1,2 33 min

DP – A – 020 – 6 – 3 2,0 45 min

DP – A – 012 – 8 – 3 1,2 50 min

DP – A – 020 – 10 – 3 2,0 65 min


Fakulta strojní


58

Identifikace vzorku: DP – A – 020 – 0 – 3 / 2,0 mm / 0 min

Obr. 3.16 Lomová plocha vzorku DP – A – 020 – 0 – 3

Tab. 3.7 Chemické složení bodové analýzy vzorku DP – A – 020 – 0 – 3

prvek Mg Al Mn Fe Ni Cu Zn celkem

Spectrum 1 0,64 51,12 4,92 7,20 34,61 1,51 100,00

Spectrum 2 50,27 5,06 7,24 0,56 35,42 1,45 100,00

Minimum 0,64 51,12 5,06 7,24 0,56 35,42 1,51

Maximum 0,64 50,27 4,92 7,20 0,56 34,61 1,45

Chemická analýza prokázala přítomnost intermediárních fází u tepelně

nezpracovaného vzorku o tloušťce 2,0 mm přítomnost fází bohatých na Cu a

Fe. Chemické složení spekter 1 a 2 je téměř shodné, bude se proto jednat o

fáze stejného typu.


Fakulta strojní


59





Spectrum 1 1,38 69,96 1,78 5,79 0,93 15,00 5,16 100,00

Spectrum 2 1,30 63,66 4,35 19,49 1,28 9,93 100,00

Spectrum 3 1,60 74,54 2,14 1,95 0,81 13,46 5,50 100,00

Minimum 1,60 74,54 4,35 19,49 1,28 15,00 5,50

Maximum 1,30 63,66 1,78 1,95 0,81 9,93 5,16

U druhého referenčního vzorku (tedy tepelně nezpracovaného) o tloušťce

plechu 1,2 mm byla zjištěna přítomnost fází bohatých na Cu, Zn, Fe a Mn u

spekter 1 a 3. Spektrum 2 zobrazuje fázi bohatou zvláště na Fe, Cu. Toto

spektrum také dosahovalo nevyšší hodnoty obsahu Mn.


Fakulta strojní


60





Spectrum 1 1,67 82,11 1,06 1,20 1,67 10,10 2,19 100,00

Spectrum 2 1,13 46,29 4,54 20,43 2,48 18,27 6,87 100,00

Spectrum 3 0,39 57,38 1,32 2,18 5,65 24,11 8,96 100,00

Minimum 1,67 82,11 4,54 20,43 5,65 24,11 8,96

Maximum 0,39 46,29 1,06 1,20 1,67 10,10 2,19

Výskyt intermediárních fází můžeme pozorovat také na tepelně

zpracovaných vzorcích. Dle chemického složení vyplývá, že pod spektry 1 až 3

se vyskytují rozdílné fáze.


Fakulta strojní


61





Spectrum 1 0,64 51,12 4,92 7,20 34,61 1,51 100,00

U tohoto vzorku bylo zjišťováno chemické složení pouze jedné fáze, ve které

je vysoký obsah Cu, Fe a Mn.


Fakulta strojní


62





Spectrum 1 0,53 89,66 0,27 1,64 0,41 4,47 2,78 100,00

Spectrum 2 0,48 97,20 0,22 0,52 0,08 0,85 100,00

Spectrum 3 1,36 91,00 0,60 0,16 0,14 5,13 1,11 100,00

Spectrum 4 0,85 95,43 0,66 0,15 2,51 0,35 100,00

Minimum 1,36 97,20 0,60 1,64 0,41 5,13 2,78

Maximum 0,48 89,66 0,22 0,16 0,08 0,85 0,35

U plechu 1,2 mm s výdrží 50 min na teplotě rozpouštěcího žíhání jsme

pozorovali celkem 4 spektra. Dle chemického složení lze říci, že fáze

neobsahovaly tak velké množství Fe, jako tomu bylo u vzorků s kratší dobou

výdrže na teplotě rozpouštěcího žíhání.


Fakulta strojní


63





Spectrum 2 0,28 97,62 0,45 0,32 0,35 0,58 0,40 100,00

Spectrum 3 0,43 95,37 0,70 2,26 1,24 100,00

Spectrum 4 0,33 97,70 0,36 0,26 0,26 0,64 0,44 100,00

Minimum 0,43 97,70 0,45 0,33 0,70 2,26 1,24

Maximum 0,28 65,43 0,36 0,26 0,26 0,58 0,40

Poslední pozorovanou lomovou plochou byl 2,0 mm plech s výdrží na teplotě

po dobu 65 min. Pohled na lomovou plochu ukazuje menší výskyt objemných

intermediárních fází. Chemická analýza také prokázala menší obsah

nežádoucího Fe u všech spekter. Spektrum 2 má téměř shodné chemické

složení, jako spektrum 4. Předpokládám, že se bude jednat o shodné fáze.


Fakulta strojní


64

Fáze 3 je v porovnání s ostatními bohatší na Cu a Zn, také neobsahuje

pozorovatelné množství Fe, ani Mn.

Zhodnocením stádia lomových ploch můžeme konstatovat, že se jednalo

převážně o tvárné porušení, charakteristické důlkovou morfologií, jen v místech

výskytu některých intermediárních fází docházelo ke křehkému porušení. Toto

porušení je způsobené změnou napjatostí v mikrolokalitách podle charakteru a

morfologie vyskytujících se vměstků (nežádoucích intermediárních fází,

například bohatých na Fe). Tvoří se intermediární fáze, které jsou typické

větším výskytem některého z nežádoucích prvků v dané slitině (i v plátované

vrstvě). Je předpoklad, že budou vznikat komplexy, které budou tvořené

několika prvky, což prokazuje i bodová analýza náhodně vybraných oblastí, kde

se vyskytují intermediární fáze.

Chemická analýza prokázala u velké části hodnocených intermediárních fází

přítomnost nežádoucího Fe. Morfologie takovýchto fází se vykazovala

ostrohrannými geometricky pravidelnými útvary. S rostoucí dobou výdrže na

teplotě 495 ± 5°C jsme mohly na lomových plochách zaznamenat menší výskyt

těchto fází, což bylo dále ověřeno chemickou analýzou.

Nedá se říci, že by se ve struktuře materiálu vyskytovaly jednoduché

intermediární fáze na bázi Mg2Cu, Al3Mg2 apod., ale spíše se vyskytovaly

složité komplexy tvořené z většího množství prvků.


Fakulta strojní


65

4. Závěr a doporučení

Cílem diplomové práce bylo studium mikrostruktury plechů z materiálu EN-

AW 2024 (slitina typu Al-Cu-Mg) opatřených plátovací vrstvou z materiálu EN-

AW 1050 (Al o čistotě 99,5 %) a identifikovat výskyt nežádoucích

intermediárních fází a posouzení změny mechanických vlastností. Cíle DP byly

splněny. Zkoumaný materiál byl dodán společností LATECOERE Czech

Republic s.r.o., který jej využívá v oblasti výroby leteckých konstrukcí. Tento

materiál našel díky svým vlastnostem uplatnění také v automobilovém

průmyslu. Jeho slitiny jsou podporované novými technologiemi, které zlepší

nejen vlastnosti korozní, ale i materiálové. Pokud bude Al slitina obsahovat

nežádoucí množství nečistot a intermediárních fází, hrozí nebezpečí vzniku

iniciace porušení v těchto mikrolokalitách s vážnými následky.

Statické zkoušky v tahu nemusí vždy prokazovat chemickou heterogenitu

zkoumaných materiálů, proto se DP věnovala bližšímu zkoumání jednotlivých

mikrolokalit, které mohou charakterizovat výskyt nežádoucích fází. Bližší

pozornost byla věnovaná lomovým plochám získaným po statické zkoušce

v tahu, kde byly sledované oblasti plátovaných plechů a oblasti základní slitiny.

Studium lomových ploch prokázalo, že výskyt nežádoucích fází (jak znázorňuje

bodová analýza) byl nerovnoměrně rozložený, obsahující ve většině případů

větší množství prvků (dokonce i Fe), čímž se vytvářely nežádoucí komplexy

chemických prvků.

Navrhnuté a provedené tepelné zpracování těchto slitin sledovalo různé

doby výdrže při rozpouštěcím žíhání 495 ± 5°C, které by mělo zabezpečit

rozpouštění velkoobjemových komplexních intermediárních fází. Bodová

analýza prokázala přítomnost v těchto nežádoucích fázích železa, které spolu

s dalšími prvky tvořilo ostrohranné intermetalické fáze. Nedocházelo

k dokonalému rozpuštění ani při nejvyšší době výdrže experimentu, avšak lze

konstatovat, že s delší dobou výdrže na této teplotě klesalo množství a velikost

intermetalických fází s přítomností Fe.


Fakulta strojní


66

Čas výdrže na teplotě rozpouštěcího žíhání má vliv také na množství

nadifundované mědi v plátované vrstvě, která bude také ovlivňovat materiálové

a strukturní charakteristiky této slitiny. S vyšším obsahem Cu v plátované vrstvě

dojde ke zpevnění vrstvy, avšak základní materiál bude v blízkosti plátované

vrstvy o měď ochuzen. V takové oblasti pak dochází ke snížení pevnosti.

V našem případě bylo hodnocení pevnostních charakteristik doplněno o měření

mikrotvrdosti, které prokázalo přímý vliv obsahu Cu na tvrdost zkoumaného

materiálu.

Charakteristika statických tahových zkoušek prokázala rostoucí tendenci

pevnostních vlastností do doby výdrže na teplotě rozpouštěcího žíhání 40 min

pro plech 1,2 mm a 45 min pro plech s tloušťkou 2,0 mm. Teplota

rozpouštěcího žíhání byla volena s ohledem na rozpad intermediárních fází. Při

dlouhých dobách výdrže hrozí nebezpečí růstu zrna, což potom může vést

k opačnému efektu, tedy zkřehnutí struktury.

Kvalita těchto plátovaných plechů (využívaných v leteckém průmyslu) bude

závislá na složení intermediárních fází (křehké, nebo houževnaté), na jejich

rozložení a množství v dané struktuře. Při primární technologii slévání bude

důležitá kontrola mikrostruktury v závislosti na chemickém složení.

Bude záležet na tloušťce původního plátovaného plechu. Nemělo by

docházet k výskytu kumulovaných vměstků, nebo intermediárních fází

v primární struktuře, které mohou způsobit při plastické deformaci řádkovitost

(ve směru válcování).

Doporučení:

Věnovat pozornost přebíraným plátovaným plechům před tepelným

zpracováním z pohledu mikrostruktury (velikost zrn, řádkovitost, výskyt

intermediárních fází).

Dodržet mikročistotu jak čistého Al, tak plátované slitiny, zejména u

nežádoucího prvku, jako je Fe.

Zamezit přejímce plátovaný plechů, které nedosahují minimální

požadované tloušťky ochranné vrstvy.


Fakulta strojní


67

Dodržet předepsanou dobu výdrže pro rozpouštěcí žíhání.

Zamezit (například při manipulaci) poškození povrchu plechu.

Zkoušku tvrdosti HRB doporučuji doplnit zkouškou mikrotvrdosti.


Fakulta strojní


68

5. Použitá literatura

[1] Periodická tabulka prvků: Hliník, dne 2014-11-07.

Dostupné z: http://www.tabulka.cz/prvky/ukaz.asp?id=13

[2] MICHNA, Š., LUKÁČ, I., OČENÁŠEK, V., KOŘENÝ, R., DRÁPALA, J.,

SCHNEIDER, H., MIŠKUFOVÁ, A. a kol., Encyklopedie hliníku, Prešov

2005, ISBN 80-89041-88-4

[3] Cleveland, Cutler J.. (2004). Encyclopedia of Energy, Volumes 1 - 6.

Elsevier, 2004, 5 376 s., ISBN 978-0121764807

[4] JANOVEC, J., CEJP, J. a STEIDL, J., Perspektivní materiály. Vyd. 3.,

přeprac. Praha: České vysoké učení technické, 2008, 143 s. ISBN 978-

80-01-04167-3.

[5] International Aluminium Institute, dne 2014-10-29.

Dostupné z: http://www.world-aluminium.org

[6] Hliník a jeho slitiny, dne 2014-10-08.

Dostupné z: http://www.benjamin.ic.cz/hlinik_slitiny.pdf

[7] Bauxite and Alumina, dne 2014-12-31. Dostupné z:

http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/bauxite/mcs-2014-

bauxi.pdf

[8] Singer, D.A., and Menzie, W.D., Quantitative mineral resource assessments

- An integrated approach. Oxford, United Kingdom, Oxford University Press,

2010, 232 s., ISBN 9780195399592


Fakulta strojní


69

[9] Marciano, S., Mugnier, N., Clerin, P., Cristol, B., Moulin, P., Nanofiltration of

Bayer process solutions, Journal of Membrane Science, 2006, Ročník 281,

Číslo 1, s. 260 – 267, ISSN 0376-7388

[10] The making of aluminium [film]. Mexus Education Pvt. Ltd., India 2009

[11] MACEK, K., ZUNA, P. a kol., Nauka o materiálu. Vydavatelství ČVUT,

1999, 209 s.

[12] Hyspecká, L., Teorie tepelného zpracování, VŠB Ostrava 1975, 165 s.

[13] ČERNÝ, M. a kol., Korozní vlastnosti kovových konstrukčních materiálů.

Vydavatelství SNTL – Nakladatelství technické literatury, 1984, 264 s.

DT 620.193:669.018

[14] SEDLÁČEK, V., Neželezné kovy a slitiny. 1. vyd. Praha:SNTL, 1979, 400 s.

[15] ASM Handbook, Vol. 4, Heat Treating, ASM International, USA, 1991, April

[16] ASHBY, M., JONES D., Engineering Materials, Pergamon Press, Oxford,

1993.

[17] VĚTROVEC, V., PAŘEZ, B., Hliník a jeho použití v elektrotechnice.

Vydavatelství: Knihtisk 1962, 432 s.

[18] BRDIČKA, R., DVOŘÁK, J., Základy fysikální chemie, ACADEMIA Praha

1977, 857 s.

[19] Pluhař, J a kol. Nauka o materiálech, SNTL Praha, 1989


Fakulta strojní


70

[20] SEDLÁČEK, V.,KRÁLÍK, F., ŠEJNOHA, R., Difusní a precipitační procesy v

kovových soustavách. Praha: Academia, 1968, 229 s.

[21] CHVOJKA, J., BRZOBOHATÝ, M., Zpracování a použití hliníku a jeho slitin.

Praha: SNTL, 1961.

[22] MACEK, K., HNILICA, F., STARÝ, V., Experimentální metody v

materiálovém inženýrství. Vyd. 1. Praha: Nakladatelství ČVUT, 2008. 198 s.

ISBN 978-80-01-03934-2

[23] Elektronovým mikroskopem do nitra materiálů aneb jak vypadá jejich

struktura, dne 2014-11-15. Dostupné z http://www.fzu.cz/

[24] Krpec, M., Vliv tepelného zpracování plátovaných plechů z Al slitiny 2024

na difúzi mědi. Praha, 2012. Diplomová práce. České vysoké učení

technické v Praze. Fakulta strojní.

[25] FÜRBACHER, I, K MACEK a J STEIDL. Lexikon technických materiálů se

zahraničními ekvivalenty: kovy, plasty, keramika, kompozity. Praha:

Dashöfer, 2001, 4 sv. (na volných listech). ISBN 80-862-2902-5.

[26] Technické údaje o hliníku. ALUCAD BOHEMIA, dne 2014-9-25.

Dostupné z: http://www.alucad.cz/public/var/files/file_109.pdf

[27] ČSN EN ISO 6507-1 (42 0374): Zkouška tvrdosti podle Vickerse – Část 1:

Zkušební metoda. Praha, Český normalizační institut, 2006.

[28] Elektronový mikroskop JEOL JSM-7600F. Dne 2014-11-10. Dostupné z

http://www.jeol.co.jp/en/products/detail/product_file/file/p27_jsm7600f_g01.jj

p


Fakulta strojní


71

[29] HRIVŇÁK, I., Teoria zvaritelnosti kovov a zliatin. Veda, Bratislava 1989, 342

s. ISBN 80-224-0016-5

6. Použité zkratky a symboly

A tažnost [%]

Al2O3 oxid hlinitý

ČSN EN evropská technická norma

ČSN česká technická norma

E modul pružnosti v tahu (Youngův modul)

G-P Guinier-Preston

H2O voda

HCl kyselina chlorovodíková

HF kyselina fluorovodíková

hm. % hmotnostní procento

HNO3 kyselina dusičná

ISO mezinárodní norma

obr. obrázek

pH potenciál vodíku

Re mez kluzu [MPa]

Rm mez pevnosti [MPa]

Rp0,2 smluvní mez kluzu [MPa]

s. strana

s.r.o. společnost s ručením omezeným

zv. zvětšení

ρ hustota [g/cm3]


Fakulta strojní


72

Seznam příloh

Příloha 1 Statická zkouška v tahu – tabulka naměřených a vypočtených

hodnot pro plech 1,2 mm a 2,0 mm

Příloha 2 Hodnoty mikrotvrdosti plechu 2,0 mm

Příloha 3 Zastoupení hm. % Cu v plátované vrstvě, plech 2,0 mm

Seznam obrázků

Obr. 2.1 Schéma Bayerovi metody výroby oxidu hlinitého [2]

Obr. 2.2 Snížení obsahu mědi vlivem působení železa [2]

Obr. 2.3 Rozdělení slitiny hliníku podle rovnovážného diagramu [2]

Obr. 2.4 a) Eutektikum slitiny EN AW-2024, zv.1000x [2],

b) Litý stav (AlCu4Mg1), zv.250x [6]

Obr. 2.5 Efekt teploty stárnutí na pevnost slitiny EN AW-2024 [4]

Obr. 2.6 Hmotnostní úbytek Al za dva dny v závislosti na pH. 1 – nad roztokem

vzduch, 2 – nad roztokem dusík [13]

Obr. 2.7 Polo-plynulé lití ingotu [2]

Obr. 2.8 Schéma válcování za tepla [2]

Obr. 2.9 Schéma válcování za studena – válcovací stolice kvarto [2]

Obr. 2.10 Interakce elektronů s materiálem [23]

Obr. 2.11 Schematická ukázka oblastí, v nichž dochází k emisi různých

fyzikálních signálů [24]

Obr. 3.1 Sada vzorků pro tahovou zkoušku

Obr. 3.2 Schéma zkušebních vzorků pro statickou zkoušku v tahu


Fakulta strojní


73

Obr. 3.3 Univerzální trhací stroj INSTRON 5582 s nosností rámu 100 kN [24]

Obr. 3.4a Záznam tahové zkoušky pro plech 1,2 mm [24]

Obr. 3.4b Záznam tahové zkoušky pro plech 2,0 mm [24]

Obr. 3.5a Závislost meze pevnost Rm na době výdrže na teplotě 495 ± 5°C

Obr. 3.5b Závislost meze kluzu Rp0,2 na době výdrže na teplotě 495 ± 5°C

Obr. 3.5c Závislost tažnosti A na době výdrže na teplotě 495 ± 5°C

Obr. 3.6 – Schéma zkoušky tvrdosti podle Vickerse.

Obr. 3.7 Závislost HV0,01 na vzdálenosti od povrchu

Obr. 3.8 Schéma měření obsahu Cu – bodová metoda, zv. 500x. [24]

Obr. 3.9a Obsah Cu v plátovací vrstvě, plech 1,2 mm.

Obr. 3.9b Obsah Cu v plátovací vrstvě, plech 2,0 mm.

Obr 3.10 Velikost HV0,01 v závislosti na obsahu hm % Cu

Obr. 3.11a) Vzorek DP-A-020-8-3, 100x zv., b) Vzorek DP-A-020-8-3, 500x zv.

Obr. 3.12 Binární rovnovážný diagram Al – Cu [2]

Obr. 3.13 Ternární diagram Al-Cu-Mg s vyznačením invariantních bodů (mřížka

v at. %, osy v km. %). [2]

Obr. 3.14 Elektronovým mikroskopem JEOL JSM-7600F [28]

Obr. 3.15 Lomová plocha a) tepelně nezpracovaná, b) výdrž 65 min na teplotě

495 ± 5°C






Fakulta strojní


74



Seznam tabulek

Tab. 2.1 Celosvětová spotřeba hliníku a jeho slitin v jednotlivých odvětvích

v roce 2002. [2]

Tab. 2.2 Fyzikální vlastnosti čistého hliníku. [5]

Tab. 2.3 Číselné značení dle ČSN EN 573-1 až 3. [2]

Tab. 2.4 Řady slitin Al dle hlavních slitinových prvků. [2]

Tab. 2.5 Číselné značení dle ČSN EN 1706.

Tab. 2.6 Nejvýznamnější tvářené slitiny Al, jejich typické zpracování a

vlastnosti. [11]

Tab. 2.7 Vlastnosti vybraných slévárenských slitin hliníku. [11]

Tab. 2.8 Chemická odolnost Al a jeho slitin pro chemické reakce ve vodě a na

vzduchu. [2]



Tab. 3.3 Doba výdrže na teplotě rozpouštěcího žíhání vzorků.

Tab. 3.4a Naměřené a vypočtené hodnoty pro plech 1,2 mm.

Tab. 3.4b Naměřené a vypočtené hodnoty pro plech 2,0 mm.

Tab. 3.5 Binární a ternární fáze vyskytující se v systému Al-Cu-Mg.[2]

Tab. 3.6 Seznam vybraných vzorků hodnocených v DP.



Fakulta strojní


75







Fakulta strojní


I

Příloha 1 Statická zkouška v tahu – tabulka naměřených a vypočtených

hodnot pro plech 1,2 mm a 2,0 mm

Naměřené a vypočtené hodnoty pro plech 1,2 mm


měření č. označení Rp0,2 [Mpa] Rm [Mpa] A [%] t [min]

1 DP-A-012-0-1 273,7 296,4 4,4

0 2 DP-A-012-0-2 274,2 296,6 4

3 DP-A-012-2-1 267,2 419,1 21,4

1 4 DP-A-012-2-2 261,3 412,4 21,6

5 DP-A-012-4-1 282 440,6 22,8

33 6 DP-A-012-4-2 276,8 434,2 23,4

7 DP-A-012-6-1 282,2 441,6 23,6

40 8 DP-A-012-6-2 284,7 444,9 22

9 DP-A-012-8-1 282,6 444,3 23,6

50 10 DP-A-012-8-2 277,5 438,2 22,2

11 DP-A-012-10-1 279,2 443,3 24,4

60 12 DP-A-012-10-2 278,7 438,9 23,2

Naměřené a vypočtené hodnoty pro plech 2,0 mm


měření č. označení Rp0,2 [Mpa] Rm [Mpa] A [%] t [min]

1 DP-A-020-0-1 72,3 168,2 22,8

0 2 DP-A-020-0-2 70,1 167,7 24

3 DP-A-020-2-1 271,7 441,8 23,2

1 4 DP-A-020-2-2 267,7 435,9 23,2

5 DP-A-020-4-1 283,5 455,9 24,8

38 6 DP-A-020-4-2 287,4 459,5 24,8

7 DP-A-020-6-1 283,1 459,6 25,6

45 8 DP-A-020-6-2 283,5 461,8 25,4

9 DP-A-020-8-1 285,4 460,9 26

55 10 DP-A-020-8-2 283,6 461,1 18,8

11 DP-A-020-10-1 282,6 457,3 24,6

65 12 DP-A-020-10-2 283,4 461,2 25,4


Fakulta strojní


II

Příloha 2 Hodnoty mikrotvrdosti plechu 2,0 mm.

DP-A-020-0-3 0 min vtisk číslo rozměr D1 [µm] rozměr D2 [µm] HV0,01 Vzdálenost od povrchu[µm]

1 29,1 30,5 20,9 20

2 25,0 24,5 30,3 40

3 24,1 23,4 32,9 60

4 23,3 24,3 32,7 80

5 19,5 19,0 50,0 100

6 19,2 18,8 51,4 120

7 18,6 18,9 52,7 140

8 18,3 18,9 55,7 160


1 25,6 25,8 28,1 20

2 24,4 24,8 30,6 40

3 31,7 21,2 40,3 60

4 13,2 13,5 104 80

5 13,0 13,1 109 100

6 12,7 12,7 115 120

7 12,7 12,8 114 140

8 12,6 12,7 116 160


1 23,7 24,7 31,7 20

2 21,0 20,5 43,1 40

3 15,4 15,4 78,2 60

4 12,5 12,7 117 80

5 12,4 12,8 117 100

6 12,9 13,9 110 120

7 12,3 12,0 126 140

8 12,4 12,4 121 160


Fakulta strojní


III


1 27,8 30,2 22,0 20

2 17,9 18,2 56,9 40

3 14,8 15,1 83,0 60

4 14,3 14,1 91,9 80

5 12,5 12,7 117 100

6 12,3 12,9 117 120

7 12,1 12,3 125 140

8 12,1 12,3 125 160


1 24,4 22,8 33,3 20

2 18,6 18,6 53,6 40

3 14,7 15,2 83,0 60

4 1,4 13,9 92,6 80

5 13,0 13,0 110 100

6 12,4 12,2 123 120

7 12,6 12,3 120 140

8 12,3 12,0 126 160


1 20,9 22,0 40,0 20

2 20,1 19,2 48,0 40

3 15,0 16,7 73,8 60

4 14,8 14,8 84,6 80

5 13,4 13,1 106 100

6 12,5 12,6 118 120

7 12,3 12,4 122 140

8 11,7 12,1 131 160


Fakulta strojní


IV

Příloha 3 Zastoupení hm. % Cu v plátované vrstvě, plech 2,0 mm

hloubka [μm] 0 5 10 15 20 25 30

vzorek č. % Cu

DP -A -020 -0 -3 0,18 0,13 0,11 0,11 0,16 0,23 0,22 DP -A -020 -2 -3 0,25 0,21 0,27 0,25 0,31 0,29 0,37 DP -A -020 -4 -3 0,42 0,47 0,56 0,58 0,8 1,05 1,18 DP -A -020 -6 -3 0,51 0,38 0,37 0,33 0,31 0,35 0,33 DP -A -020 -8 -3 0,76 0,61 0,61 0,69 0,79 0,91 0,94

DP -A -020 -10 -3 0,53 0,58 0,55 0,55 0,56 0,6 0,67

hloubka [μm] 35 40 45 50 55 60 65

vzorek č. % Cu


DP -A -020 -10 -3 0,8 0,96 1,05 1,16 1,31 1,53 1,87

hloubka [μm] 70 75 80 85 90 95 100

vzorek č. % Cu


Documents

6WXGLMQtR ERU Fakulta strojní 6WXGLMQtS URJUDP N2301 ... · eské vysoké uení technické v Praze Fakulta strojní Ústav materiálového inženýrství Prohlášení Prohlašuji,